DE102022213832A1 - Measuring device for measuring forces acting on a vehicle combination and method for operating the same - Google Patents

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DE102022213832A1
DE102022213832A1 DE102022213832.5A DE102022213832A DE102022213832A1 DE 102022213832 A1 DE102022213832 A1 DE 102022213832A1 DE 102022213832 A DE102022213832 A DE 102022213832A DE 102022213832 A1 DE102022213832 A1 DE 102022213832A1
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Inventor
Guillermo BERTOLINA
Rodrigo Magalhaes Pereira
Mirko Brütt
Daniel Pfefferkorn
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ZF CV Systems Global GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (10a, 10b) zum Messen von an einer Fahrzeugkombination (1) wirkenden Kräften, wobei die Fahrzeugkombination (1) aus einem Zugfahrzeug, Traktor (2) oder einer Zugmaschine mit einer Koppelvorrichtung (6) sowie einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug (3) oder einem daran angekoppelten Anbaugerät besteht.Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Gehäuse (7) eines Fahrzeuggetriebes (4) des Zugfahrzeugs, des Traktors (2) oder der Zugmaschine ein faseroptischer Sensor (11) derart angeordnet ist, dass sich dieser bei einer mechanischen Verformung des Gehäuses (7) des Fahrzeuggetriebes (4) ebenfalls verformt und dabei seine optischen Eigenschaften verändert, dass der Sensor (11) zur Erzeugung und Verarbeitung eines optischen Ausgangssignals (20, 22) eine optoelektronische Steuereinheit (12) aufweist, dass in der Steuereinheit ein Computerprogramm abgespeichert ist, mittels dem durch eine Auswertung des optischen Ausgangssignals (20, 22) eine an der Koppelvorrichtung (6) angreifende Koppelkraft bestimmbar ist, und dass mittels der Steuereinheit (12) ein die gemessene Koppelkraft repräsentierendes elektrisches Signal erzeugbar sowie an ein Fahrzeugsteuergerät (29) versendbar ist.The invention relates to a measuring device (10a, 10b) for measuring forces acting on a vehicle combination (1), the vehicle combination (1) consisting of a towing vehicle, tractor (2) or a tractor with a coupling device (6) and a trailer (3) coupled thereto or an attachment coupled thereto. According to the invention, a fiber-optic sensor (11) is arranged on the housing (7) of a vehicle transmission (4) of the towing vehicle, tractor (2) or tractor in such a way that it also deforms when the housing (7) of the vehicle transmission (4) is mechanically deformed and in the process changes its optical properties, that the sensor (11) has an optoelectronic control unit (12) for generating and processing an optical output signal (20, 22), that a computer program is stored in the control unit, by means of which a force acting on the coupling device (6) can be determined by evaluating the optical output signal (20, 22). Coupling force can be determined, and that by means of the control unit (12) an electrical signal representing the measured coupling force can be generated and sent to a vehicle control unit (29).

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Messen von an einer Fahrzeugkombination wirkenden Kräften, wobei die Fahrzeugkombination aus einem Zugfahrzeug mit einer Koppelvorrichtung sowie einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug oder einem daran angekoppelten Anbaugerät besteht. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen von Koppelkräften und/oder Achslasten mit einer solchen Messeinrichtung, ein Computerprogramm zur Bestimmung von Koppelkräften und/oder Achslasten, sowie eine Fahrzeugkombination mit einer derartigen Messeinrichtung.The invention relates to a measuring device for measuring forces acting on a vehicle combination, the vehicle combination consisting of a towing vehicle with a coupling device and a trailer vehicle coupled thereto or an attachment coupled thereto. The invention also relates to a method for measuring coupling forces and/or axle loads with such a measuring device, a computer program for determining coupling forces and/or axle loads, and a vehicle combination with such a measuring device.

Das dynamische Verhalten von Fahrzeugkombinationen, wie beispielsweise landwirtschaftliche Traktoren mit daran angekoppelten Anhängefahrzeugen oder Anbaugeräten, wird wesentlich durch die gesteuerten und/oder eigenständigen Bewegungen des Anhängefahrzeugs oder Anbaugeräts und die dabei auftretenden Zug-, Schub- und Querkräfte sowie Achslasten beeinflusst. Daher ist eine möglichst genaue Kenntnis der jeweils aktuellen Koppelkräfte und Achslasten an deren Anhängevorrichtungen beziehungsweise Fahrzeugachsen eine wichtige Voraussetzung dafür, um einen sicheren und effizienten Betrieb einer solchen Fahrzeugkombination zu gewährleisten.The dynamic behavior of vehicle combinations, such as agricultural tractors with trailers or attachments coupled to them, is significantly influenced by the controlled and/or independent movements of the trailer or attachment and the resulting tensile, shear and transverse forces as well as axle loads. Therefore, the most accurate possible knowledge of the current coupling forces and axle loads on their trailers or vehicle axles is an important prerequisite for ensuring the safe and efficient operation of such a vehicle combination.

Messeinrichtungen zum Messen von Koppelkräften und/oder Achslasten an derartigen Fahrzeugkombinationen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Herkömmliche und bereits häufig eingesetzte Kraftsensoren nutzen Dehnungsmesstreifen oder Piezoelemente. Derartige Anordnungen von Kraftsensoren sind meistens auf einem zusätzlichen Bauteil befestigt, welches in eine Kupplungsvorrichtung eingespannt ist.Measuring devices for measuring coupling forces and/or axle loads on such vehicle combinations are known in various designs. Conventional and already frequently used force sensors use strain gauges or piezo elements. Such arrangements of force sensors are usually attached to an additional component that is clamped into a coupling device.

Aus der DE 10 2018 106 855 A1 ist eine derartige Messeinrichtung zum Messen von Kräften und/oder Momenten zwischen einem motorisierten Fahrzeug und einem davon gezogenen oder geschobenen Anhängefahrzeug oder Anbaugerät bekannt. Diese Messeinrichtung ist in einem Kupplungsbereich zwischen dem motorisierten Fahrzeug und dem gezogenen oder geschobenen Anhängefahrzeug oder Anbaugerät angeordnet. Sie weist einen kreuzförmigen Träger mit vier sich radial erstreckenden Messarmen auf, welcher quer zu einer gedachten Längsachse des motorisierten Fahrzeugs angeordnet ist. Der Träger ist dabei zwischen einer Basisplatte und einem Standard-Kupplungsträger eingespannt. An den vier Messarmen des Trägers sind vier Sensorelemente angeordnet, beispielsweise vier als Kraftsensoren dienende Dehnungsmessstreifen. Die Sensorelemente sind mit einem elektronischen Auswertegerät verbunden, welches mittels bekannter Algorithmen aus den Signalen der Sensorelemente auf die Messeinrichtung einwirkende Kräfte und Momente nach Größe und Richtung berechnen sowie an ein Fahrzustand-Managementsystem weiterleiten kann.From the EN 10 2018 106 855 A1 Such a measuring device for measuring forces and/or moments between a motorized vehicle and a trailer or attachment that is towed or pushed by it is known. This measuring device is arranged in a coupling area between the motorized vehicle and the towed or pushed trailer or attachment. It has a cross-shaped carrier with four radially extending measuring arms, which is arranged transversely to an imaginary longitudinal axis of the motorized vehicle. The carrier is clamped between a base plate and a standard coupling carrier. Four sensor elements are arranged on the four measuring arms of the carrier, for example four strain gauges that serve as force sensors. The sensor elements are connected to an electronic evaluation device, which can use known algorithms to calculate the magnitude and direction of the forces and moments acting on the measuring device from the signals of the sensor elements and forward them to a driving condition management system.

Die DE 10 2019 124 281 A1 zeigt eine Sattelkupplung mit einer Kupplungsplatte zur Aufnahme eines Königszapfens eines Sattel-Anhängefahrzeugs, bei welcher die Kupplungsplatte zur schwenkbaren Lagerung über einen Lagereinsatz an einen Lagerbock angebunden ist. Zwischen dem Lagereinsatz und der Kupplungsplatte ist ein Zwischenelement angeordnet, welches einen Kraftsensor in Form eines Dehnungsmessstreifens oder eines Piezoelements aufweist. Ein Kraftfluss, welcher auf die Kupplungsplatte einwirkt, wird über das Zwischenelement auf den Lagerbock übertragen.The EN 10 2019 124 281 A1 shows a fifth wheel coupling with a coupling plate for receiving a kingpin of a semi-trailer vehicle, in which the coupling plate is connected to a bearing block via a bearing insert for pivoting storage. An intermediate element is arranged between the bearing insert and the coupling plate, which has a force sensor in the form of a strain gauge or a piezo element. A force flow that acts on the coupling plate is transmitted to the bearing block via the intermediate element.

Außerdem sind optische Sensoren bekannt, bei denen Lichtstrahlen genutzt werden, um geometrische Größen an lastentragenden Komponenten von Fahrzeugkombinationen zu messen.In addition, optical sensors are known in which light beams are used to measure geometric dimensions on load-bearing components of vehicle combinations.

Aus der EP 2 366 563 A2 ist zum Beispiel eine Anhängekupplung für einen Personenkraftwagen mit einer derartigen Sensoranordnung mit mindestens einer Lichtquelle, wie einer Infrarot-LED, und mit mindestens einem optischen Sensor bekannt. Zum Messen einer Winkelstellung einer Zugkupplung eines Anhängefahrzeugs relativ zu einem Träger eines kugelförmigen Kuppelkörpers der Anhängekupplung, auf den eine Aufnahmevorrichtung der Zugkupplung aufsetzbar ist, wird im angekoppelten Zustand des Gespanns das Licht der Lichtquelle auf die Zugkupplung gerichtet und das reflektierte Licht von dem optischen Sensor erfasst. Aus dem Messsignal des optischen Sensors kann eine Winkelstellung bestimmt werden.From the EP 2 366 563 A2 For example, a trailer coupling for a passenger car with such a sensor arrangement with at least one light source, such as an infrared LED, and with at least one optical sensor is known. To measure an angular position of a towing coupling of a trailer vehicle relative to a carrier of a spherical coupling body of the trailer coupling, onto which a receiving device of the towing coupling can be placed, the light of the light source is directed at the towing coupling when the vehicle is coupled and the reflected light is detected by the optical sensor. An angular position can be determined from the measurement signal of the optical sensor.

Außerdem sind faseroptische Sensoren bekannt. Derartige Sensoren weisen eine Lichtquelle, einen Lichtdetektor und einen Lichtwellenleiter auf, wobei bei sogenannten intrinsischen Systemen der Lichtwellenleiter selbst als Sensor wirksam ist. Hierbei beeinflussen äußere Einwirkungen, wie Temperaturschwankungen oder mechanische Belastungen, wie Dehnungen oder Schwingungen, das in dem Lichtwellenleiter übertragene Lichtsignal. Für die Auswertung der gemessenen Lichtleitung in dem Lichtwellenleiter können verschiedene Parameter verwendet werden, welche bei der Wechselwirkung des Lichts mit dem Material des Lichtwellenleiters auftreten können, wie beispielsweise inelastische Lichtstreuung, elastische Lichtstreuung oder Lichtinterferenz. Es ist bekannt, derartige faseroptische Sensoren zur Prüfung und Überwachung von Infrastruktureinrichtungen, wie Glasfasernetze, Brücken oder Pipelines, zu nutzen.Fiber optic sensors are also known. Such sensors have a light source, a light detector and an optical waveguide, whereby in so-called intrinsic systems the optical waveguide itself acts as a sensor. External influences such as temperature fluctuations or mechanical loads such as stretching or vibrations influence the light signal transmitted in the optical waveguide. Various parameters can be used to evaluate the measured light conduction in the optical waveguide, which can occur when the light interacts with the material of the optical waveguide, such as inelastic light scattering, elastic light scattering or light interference. It is known to use such fiber optic sensors to test and monitor infrastructure facilities such as fiber optic networks, bridges or pipelines.

Für den Bereich der Fahrzeugtechnik ist aus der EP 1 421 355 B1 eine Anordnung von mehreren Kraftsensoren an einem Radlager eines Fahrzeugrades bekannt. Diese Anordnung dient zur Ermittlung von auf eine Radaufhängung des Fahrzeugrades einwirkenden Kräften und Momenten. Die genannten Kraftsensoren bilden mit einem Drehzahlsensor eine Baueinheit. Bei den Kraftsensoren kann es sich beispielweise um faseroptische Druckspannungselemente handeln. Diese faseroptischen Druckspannungselemente sind in dieser Druckschrift nicht näher beschrieben.For the area of automotive engineering, the EP 1 421 355 B1 an arrangement of several force sensors on a wheel bearing of a vehicle wheel is known. This arrangement is used to determine forces and moments acting on a wheel suspension of the vehicle wheel. The force sensors mentioned form a structural unit with a speed sensor. The force sensors can be, for example, fiber optic compressive stress elements. These fiber optic compressive stress elements are not described in more detail in this publication.

Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zum Messen von Koppelkräften und/oder Achslasten an einer Fahrzeugkombination vorzustellen, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist, unempfindlich gegen Verschmutzungen ist, sowie hinsichtlich deren Einbauposition variabel nutzbar ist. Diese Messeinrichtung soll vor allem für den Einsatz an einem landwirtschaftlichen, forstwirtschaftlichen oder bauwirtschaftlichen Fahrzeuggespann zur Koppelkraftmessung zwischen einem Zugfahrzeug, Traktor oder einer Zugmaschine und einem Anhängefahrzeug oder Anbaugerät geeignet sein. Außerdem soll diese Messeinrichtung zur Achslastmessung an einer durch ein Anhängefahrzeug oder ein Anbaugerät belasteten Hinterachse des Fahrzeugs nutzbar sein. Schließlich soll ein Verfahren vorgestellt werden, mit dem eine solche Messeinrichtung aufgabengerecht betreibbar ist.Against this background, the invention was based on the task of presenting a measuring device for measuring coupling forces and/or axle loads on a vehicle combination, which is easy and inexpensive to manufacture, is insensitive to dirt, and can be used variably in terms of its installation position. This measuring device should be particularly suitable for use on an agricultural, forestry or construction vehicle combination for measuring the coupling force between a towing vehicle, tractor or tractor unit and a trailer or attachment. This measuring device should also be usable for measuring the axle load on a rear axle of the vehicle loaded by a trailer or attachment. Finally, a method should be presented with which such a measuring device can be operated in accordance with the task.

Die Lösung der vorrichtungsbezogenen Aufgabe wird mit einer Messeinrichtung erreicht, welche die Merkmale der beiden unabhängigen Vorrichtungsansprüche aufweist. Ein unabhängiger Verfahrensanspruch definiert die Verfahrensschritte zur Lösung der verfahrensbezogenen Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweils zugeordneten abhängigen Ansprüchen genannt.The solution to the device-related problem is achieved with a measuring device which has the features of the two independent device claims. An independent method claim defines the method steps for solving the method-related problem. Advantageous embodiments and further developments are mentioned in the respective associated dependent claims.

Der Erfindung liegt ein erster Gedanke zugrunde, gemäß dem die Ermittlung von an der Koppelvorrichtung eines Fahrzeugs angreifenden Koppelkräften nicht zwangsweise an der Koppelvorrichtung selbst erfolgen muss, sondern dass dies auch an solchen Fahrzeugbestandteilen möglich ist, welche ebenso wie die Koppelvorrichtung an tragenden Bauteilen des Fahrzeugs befestigt oder gelagert sind. Dies funktioniert deshalb, weil die an der Koppelvorrichtung angreifenden Kräfte über tragende Rahmenbauteile des Fahrzeugs mittelbar auch auf die genannten Fahrzeugbestandteile übertragen werden. Ein solcher Messort kann beispielsweise das Gehäuse eines Fahrzeuggetriebes oder ein Bauteil einer Fahrzeugradachse sein, welche über tragende Rahmenbauteile des Fahrzeugs mit dessen Koppelvorrichtung verbunden sind. Davon ausgehend lag der Erfindung ein zweiter Gedanke zugrunde, dass die Ermittlung der erwähnten Koppelkräfte an den beschriebenen Orten vorteilhaft mittels einer faseroptischen Messeinrichtung erfolgen kann.The invention is based on a first idea, according to which the coupling forces acting on the coupling device of a vehicle do not necessarily have to be determined on the coupling device itself, but that this is also possible on vehicle components which, like the coupling device, are attached or mounted on load-bearing components of the vehicle. This works because the forces acting on the coupling device are indirectly transferred to the vehicle components mentioned via load-bearing frame components of the vehicle. Such a measuring location can be, for example, the housing of a vehicle transmission or a component of a vehicle wheel axle, which are connected to the coupling device of the vehicle via load-bearing frame components of the vehicle. Based on this, the invention was based on a second idea that the coupling forces mentioned can be determined at the locations described advantageously using a fiber optic measuring device.

Die Erfindung betrifft demnach eine Messeinrichtung zum Messen von an einer Fahrzeugkombination wirkenden Kräften, wobei die Fahrzeugkombination aus einem Zugfahrzeug, Traktor oder Zugmaschine mit einer Koppelvorrichtung sowie einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug oder einem daran angekoppelten Anbaugerät besteht.The invention therefore relates to a measuring device for measuring forces acting on a vehicle combination, wherein the vehicle combination consists of a towing vehicle, tractor or tractor unit with a coupling device and a trailer vehicle coupled thereto or an attachment coupled thereto.

Zur Lösung der vorrichtungsbezogenen Aufgabe ist gemäß einer im unabhängigen Anspruch 1 definierten ersten Variante vorgesehen,
dass an dem Gehäuse eines Fahrzeuggetriebes des Zugfahrzeugs, des Traktors oder der Zugmaschine ein faseroptischer Sensor derart angeordnet ist,
dass sich dieser bei einer mechanischen Verformung des Gehäuses des Fahrzeuggetriebes ebenfalls verformt und dabei seine optischen Eigenschaften verändert,
dass der Sensor zur Erzeugung und Verarbeitung eines optischen Ausgangssignals eine optoelektronische Steuereinheit aufweist,
dass in der Steuereinheit ein Computerprogramm abgespeichert ist,
mittels dem durch eine Auswertung des optischen Ausgangssignals eine an der Koppelvorrichtung angreifende Koppelkraft bestimmbar ist,
und dass mittels der Steuereinheit ein die gemessene Koppelkraft repräsentierendes elektrisches Signal erzeugbar und an ein Fahrzeugsteuergerät versendbar ist.
To solve the device-related problem, according to a first variant defined in independent claim 1,
that a fibre optic sensor is arranged on the housing of a vehicle transmission of the towing vehicle, tractor or tractor unit in such a way that
that if the housing of the vehicle transmission is mechanically deformed, it also deforms and changes its optical properties,
that the sensor has an optoelectronic control unit for generating and processing an optical output signal,
that a computer program is stored in the control unit,
by means of which a coupling force acting on the coupling device can be determined by evaluating the optical output signal,
and that an electrical signal representing the measured coupling force can be generated by means of the control unit and sent to a vehicle control unit.

Gemäß dieser ersten Lösungsvariante wird die an der Koppelvorrichtung wirkende Koppelkraft demnach indirekt durch eine faseroptische Messung der Verformung des Getriebegehäuses des Zugfahrzeugs, des Traktors oder der Zugmaschine ermittelt. Dies ist deshalb möglich, weil sich das Getriebegehäuse des Zugfahrzeugs durch eine auf die Koppelvorrichtung der Zugmaschine einwirkenden Koppelkraft etwas verbiegt, welches mittels der Messeinrichtung messbar ist.According to this first solution variant, the coupling force acting on the coupling device is determined indirectly by a fiber optic measurement of the deformation of the gearbox housing of the towing vehicle, tractor or tractor unit. This is possible because the gearbox housing of the towing vehicle bends slightly due to a coupling force acting on the coupling device of the tractor unit, which can be measured using the measuring device.

Auch die im unabhängigen Anspruch 2 definierte Messeinrichtung dient zum Messen von an einer Fahrzeugkombination wirkenden Kräften,
wobei die Fahrzeugkombination ebenfalls aus einem Zugfahrzeug, Traktor oder Zugmaschine mit einer Koppelvorrichtung sowie einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug oder einem daran angekoppelten Anbaugerät besteht. Diese zweite Variante der Messeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
dass an wenigstens einer Achstrompete einer Fahrzeugradachse des Zugfahrzeugs, des Traktors oder der Zugmaschine ein faseroptischer Sensor derart angeordnet ist,
dass sich dieser bei einer mechanischen Verformung der Achstrompete verformt und dabei seine optischen Eigenschaften verändert,
dass der Sensor zur Erzeugung und Verarbeitung eines optischen Ausgangssignals eine optoelektronische Steuereinheit aufweist,
dass in der Steuereinheit ein Computerprogramm abgespeichert ist,
mittels dem durch eine Auswertung des optischen Ausgangssignals eine an der Koppelvorrichtung angreifende Koppelkraft bestimmbar ist,
und dass mittels der Steuereinheit ein die gemessene Koppelkraft repräsentierendes elektrisches Signal erzeugbar und an ein Fahrzeugsteuergerät versendbar ist.
The measuring device defined in independent claim 2 also serves to measure forces acting on a vehicle combination,
whereby the vehicle combination also consists of a towing vehicle, tractor or tractor with a coupling device and a trailer or attachment coupled thereto. This second variant of the measuring device is characterized by
that a fibre optic sensor is mounted on at least one axle trumpet of a vehicle wheel axle of the towing vehicle, tractor or tractor unit in such a way is arranged,
that this deforms when the axle trumpet is mechanically deformed and thereby changes its optical properties,
that the sensor has an optoelectronic control unit for generating and processing an optical output signal,
that a computer program is stored in the control unit,
by means of which a coupling force acting on the coupling device can be determined by evaluating the optical output signal,
and that an electrical signal representing the measured coupling force can be generated by means of the control unit and sent to a vehicle control unit.

Bei dieser zweiten Lösungsvariante wird die an der Koppelvorrichtung wirkende Koppelkraft ebenfalls indirekt ermittelt, und zwar durch eine faseroptische Messung der Verformung von mindestens einer Achstrompete einer Fahrzeugradachse des Zugfahrzeugs, des Traktors oder der Zugmaschine. Dies ist deshalb möglich, weil eine auf die Koppelvorrichtung der Zugmaschine einwirkende Koppelkraft über tragende Rahmenbauteile des Fahrzeugs teilweise auch auf die Fahrzeugachse und dessen Achstrompeten übertragen wird. Diese Kräfte verbiegen die Achstrompeten, welches mittels der Messeinrichtung messbar ist. Die Messeinrichtungen gemäß den beiden geschilderten Erfindungsvarianten unterscheiden sich demnach lediglich durch den Befestigungsort des faseroptischen Sensors.In this second solution variant, the coupling force acting on the coupling device is also determined indirectly, namely by a fiber optic measurement of the deformation of at least one axle trumpet of a vehicle wheel axle of the towing vehicle, tractor or tractor unit. This is possible because a coupling force acting on the coupling device of the tractor unit is partially transferred to the vehicle axle and its axle trumpets via load-bearing frame components of the vehicle. These forces bend the axle trumpets, which can be measured using the measuring device. The measuring devices according to the two described invention variants therefore only differ in the mounting location of the fiber optic sensor.

Zur Anordnung der Messeinrichtung wird die hintere Fahrzeugradachse des Traktors oder des Zugfahrzeugs oder der Zugmaschine bevorzugt, weil diese einen besonders geringen Abstand zu einer üblicherweise an der Rückseite dieses Fahrzeugs angeordneten Koppelvorrichtung hat. Bei einer Koppelvorrichtung für ein vorne am Zugfahrzeug ankoppelbares Anbaugerät kann die Messvorrichtung auch an einem Rahmenbauteil des Fahrzeugs befestigt sein, welches dort angeordnet ist, und mit dem eine diesbezügliche Koppelkraft übertragbar ist.The rear wheel axle of the tractor or towing vehicle is preferred for arranging the measuring device because it is particularly close to a coupling device that is usually arranged at the rear of this vehicle. In the case of a coupling device for an attachment that can be coupled to the front of the towing vehicle, the measuring device can also be attached to a frame component of the vehicle that is arranged there and with which a coupling force can be transmitted.

Mittels der Messeinrichtung gemäß der zweiten Lösungsvariante kann mit geringerem Rechenaufwand auch die auf die Hinterachse des Traktors oder der Zugmaschine beziehungsweise des Zugfahrzeugs einwirkende, gegebenenfalls ladungsabhängige Achslast bestimmt werden.By means of the measuring device according to the second solution variant, the axle load acting on the rear axle of the tractor or the towing vehicle, which may be load-dependent, can also be determined with less computational effort.

Hinsichtlich des inneren Aufbaus der Messeinrichtung ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
dass der faseroptische Sensor wenigstens einen mit der optoelektronischen Steuereinheit verbundenen Lichtwellenleiter aufweist,
dass die Steuereinheit eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor aufweist,
dass die Lichtquelle zur Emission eines sich in dem Lichtwellenleiter ausbreitenden Lichtsignals ausgebildet und angeordnet ist,
und dass der Lichtdetektor zur Erfassung und optisch-elektrischen Signalumwandlung eines über den Lichtwellenleiter in den Lichtdetektor zurückreflektierten,
oder eines durch den Lichtwellenleiter transmittierten,
oder eines über eine zusätzliche optische Signalleitung dem Lichtdetektor zugeführten Ausgangssignals des Lichtsignals ausgebildet und angeordnet ist.
With regard to the internal structure of the measuring device, according to a further development of the invention,
that the fiber optic sensor has at least one optical fiber connected to the optoelectronic control unit,
that the control unit has a light source and a light detector,
that the light source is designed and arranged to emit a light signal propagating in the optical waveguide,
and that the light detector is designed to detect and convert optical-electrical signals from a light reflected back into the light detector via the optical waveguide,
or one transmitted through the optical fiber,
or an output signal of the light signal fed to the light detector via an additional optical signal line.

Die Messeinrichtung gemäß der Erfindung weist demnach einen faseroptischen Sensor mit einem Lichtwellenleiter auf. Für den Begriff Lichtwellenleiter wird im allgemeinen Sprachgebrauch häufig das Synonym optische Faser verwendet. Lichtwellenleiter können aufgrund ihres geringen Querschnitts leicht auf oder an der Innenseite einer vorhandenen Fahrzeugkomponente platziert werden. Dazu lassen sich Lichtwellenleiter vergleichsweise flexibel biegen, sodass sie in Linien, in Schlaufen oder in räumlichen Kurven angeordnet sind. Faseroptische Sensoren sind zudem unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und korrosionsbeständig.The measuring device according to the invention therefore has a fiber optic sensor with an optical waveguide. In common parlance, the term optical waveguide is often used as a synonym for optical fiber. Due to their small cross-section, optical waveguides can easily be placed on or inside an existing vehicle component. Optical waveguides can be bent relatively flexibly so that they can be arranged in lines, loops or spatial curves. Fiber optic sensors are also insensitive to electromagnetic interference and corrosion-resistant.

Die Beschreibung der Erfindung konzentriert sich zwar auf ein landwirtschaftliches Gespann mit einem Traktor und einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug oder Anbaugerät mit seinen üblichen Einsatzbereichen auf und abseits von Straßen, jedoch ist die Messeinrichtung mit den Merkmalen der Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Messeinrichtung kann grundsätzlich an allen Arten von Fahrzeugkombinationen, an denen Koppelkräfte und/oder Achslasten gemessen werden sollen, vorteilhaft genutzt werden.Although the description of the invention focuses on an agricultural combination with a tractor and a trailer or attachment coupled to it with its usual areas of use on and off roads, the measuring device with the features of the invention is not limited to this. The measuring device can in principle be used advantageously on all types of vehicle combinations on which coupling forces and/or axle loads are to be measured.

Gemäß der ersten genannten Variante kann vorgesehen sein, dass der faseroptische Sensor an einem zwischen dem Zugfahrzeug, Traktor oder der Zugmaschine und dem Anhängefahrzeug oder Anbaugerät liegenden hinteren Endbereich eines Getriebegehäuses des Zugfahrzeugs angeordnet ist. Diese Anordnung des faseroptischen Sensors der Messeinrichtung ermöglicht die Erfassung der Koppelkräfte. Durch die Anordnung des faseroptischen Sensors an oder innerhalb des Getriebegehäuses können die Herstellungskosten verringert und Bauraum zur Anordnung der Messvorrichtung an einer Koppelvorrichtung eingespart werden. Insbesondere werden keine separaten Träger, Zwischenplatten oder dergleichen benötigt, welche außen am Fahrzeugaufbau für die Koppelkraftmessung an einem Anhängebock oder dergleichen eingespannt werden müssten. Zudem ist der faseroptische Sensor innerhalb des Getriebegehäuses vor schädlichen äußeren Umwelteinflüssen im rauen Alltagsbetrieb eines landwirtschaftlichen Gespanns geschützt, wie dem Eintrag von Feuchtigkeit und/oder von Schmutzpartikeln. Dadurch erhöht sich die schadensfreie Gebrauchsdauer der Messeinrichtung.According to the first variant mentioned, it can be provided that the fiber optic sensor is arranged on a rear end area of a gearbox housing of the towing vehicle, located between the towing vehicle, tractor or tractor unit and the trailer or attachment. This arrangement of the fiber optic sensor of the measuring device enables the coupling forces to be recorded. By arranging the fiber optic sensor on or inside the gearbox housing, the manufacturing costs can be reduced and installation space for arranging the measuring device on a coupling device can be saved. In particular, no separate supports, intermediate plates or the like are required, which would form a coupling on the outside of the vehicle body for the coupling force measurement on a trailer bracket or the like. In addition, the fiber optic sensor inside the gearbox housing is protected from harmful external environmental influences in the rough everyday operation of an agricultural vehicle, such as the ingress of moisture and/or dirt particles. This increases the damage-free service life of the measuring device.

Gemäß der zweiten Variante der Erfindung ist vorgesehen sein, dass der faseroptische Sensor innerhalb einer oder innenhalb zweier Achstrompeten einer hinteren Fahrzeugradachse des Zugfahrzeugs angeordnet ist. Die Anordnung des faseroptischen Sensors der Messeinrichtung innerhalb einer oder beider Achstrompeten einer Hinterachse des Zugfahrzeugs, Traktors oder der Zugmaschine ermöglicht eine direkte Messung der Achslast auf die im Betrieb des landwirtschaftlichen Gespanns besonders belastete Hinterachse. Aus dem ermittelten Wert der Achslast lässt sich dann der Wert der an der Koppelvorrichtung des Zugfahrzeugs einwirkenden Koppelkraft berechnen.According to the second variant of the invention, it is provided that the fiber optic sensor is arranged within one or two axle trumpets of a rear vehicle wheel axle of the towing vehicle. The arrangement of the fiber optic sensor of the measuring device within one or both axle trumpets of a rear axle of the towing vehicle, tractor or tractor unit enables a direct measurement of the axle load on the rear axle, which is particularly stressed during operation of the agricultural combination. The value of the coupling force acting on the coupling device of the towing vehicle can then be calculated from the determined value of the axle load.

Die beiden genannten Varianten können vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Dafür kann ein durchgehender Lichtwellenleiter in dem hinteren Endbereich eines Getriebegehäuses und weiter in den Achstrompeten der Hinterachse verlegt sein. Alternativ dazu können zwei faseroptische Sensoren in der Messeinrichtung vorhanden sein, also ein erster faseroptischer Sensor im Endbereich des Getriebegehäuses und ein zweiter faseroptischer Sensor in den beiden Achstrompeten. In jedem Fall ist eine ortsaufgelöste Erfassung der einwirkenden Kräfte und Momente möglich. Die Ortsauflösung der von der Messeinrichtung ermittelbaren Messwerte wird später noch erläutert.The two variants mentioned can be advantageously combined with one another. For this purpose, a continuous optical fiber can be laid in the rear end area of a gearbox housing and further into the axle trumpets of the rear axle. Alternatively, two fiber optic sensors can be present in the measuring device, i.e. a first fiber optic sensor in the end area of the gearbox housing and a second fiber optic sensor in the two axle trumpets. In any case, a spatially resolved recording of the forces and moments acting is possible. The spatial resolution of the measured values determined by the measuring device will be explained later.

Die Messeinrichtung gemäß der Erfindung verwendet einen sogenannten intrinsischen faseroptischen Sensor. Der Lichtwellenleiter ist dabei selbst als ein Sensor wirksam, der zur Erfassung verschiedener physikalischer Parameter wie Temperatur, Druck und Dehnung geeignet ist. Der zu erfassende Parameter moduliert verschiedene Eigenschaften des Lichts, wie dessen Intensität, Phase, Wellenlänge und/oder Polarisation. Ausgehend vom Grundprinzip der Lichtausbreitung in einem Lichtwellenleiter ändert sich die Lichtausbreitung, wenn der Lichtwellenleiter Änderungen von Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck und/oder Dehnung ausgesetzt ist. Die Messeinrichtung gemäß der Erfindung nutzt demnach die Fähigkeit eines Lichtwellenleiters aus, seine lichtleitenden Eigenschaften zu ändern, wenn äußere Kräfte auf den Lichtleiter einwirken. Solche Kräfte erzeugen insbesondere mechanische Dehnungen, wie sie an einer Koppelvorrichtung eines Fahrzeuggespanns und dieser Koppelvorrichtung nachgeordneter Fahrzeugkomponenten auftreten. Der Lichtwellenleiter ist dazu derart an einer Fläche eines Getriebegehäuses angeordnet und befestigt, dass Koppelkräfte, welche an einer Koppelvorrichtung des Traktors oder Zugfahrzeugs wirken, messbar sind, sofern dort ein Anhängefahrzeug oder ein Anbaugerät angekoppelt ist.The measuring device according to the invention uses a so-called intrinsic fiber optic sensor. The optical fiber itself acts as a sensor that is suitable for detecting various physical parameters such as temperature, pressure and strain. The parameter to be detected modulates various properties of the light, such as its intensity, phase, wavelength and/or polarization. Based on the basic principle of light propagation in an optical fiber, the light propagation changes when the optical fiber is exposed to changes in environmental conditions such as temperature, pressure and/or strain. The measuring device according to the invention therefore uses the ability of an optical fiber to change its light-conducting properties when external forces act on the optical fiber. Such forces generate in particular mechanical strains, such as those that occur on a coupling device of a vehicle combination and vehicle components downstream of this coupling device. The optical fiber is arranged and attached to a surface of a transmission housing in such a way that coupling forces that act on a coupling device of the tractor or towing vehicle can be measured if a trailer or an attachment is coupled there.

Gemäß der Erfindung können die an einer Koppelvorrichtung des Zugfahrzeugs angreifenden Koppelkräfte aber auch aus der an einer Hinterachse des Traktors oder der Zugmaschine oder des Zugfahrzeugs angreifenden Achslast ermittelt werden. Hierzu wird an zumindest einer Achstrompete der Hinterachse oder an einem anderen achsnahen Achsbauteil der Hinterachse eine erfindungsgemäß Messeinrichtung befestigt. Aus den mittels der Messeinrichtung gemessenen Achslastkräften lassen sich anschließend die an einer Koppelvorrichtung des Fahrzeugs wirksame Koppelkräfte berechnen.According to the invention, the coupling forces acting on a coupling device of the towing vehicle can also be determined from the axle load acting on a rear axle of the tractor or the tractor or the towing vehicle. For this purpose, a measuring device according to the invention is attached to at least one axle trumpet of the rear axle or to another axle component of the rear axle close to the axle. The coupling forces acting on a coupling device of the vehicle can then be calculated from the axle load forces measured by the measuring device.

Ein Lichtwellenleiter für faseroptische Messungen besteht üblicherweise aus einem zylindrischen Leiter für die Ausbreitung optischer Wellen, welcher radial innen einen dünnen Kern und einem diesen umgebenden hohlzylindrischen Mantel aufweist. Der Kern und der Mantel bestehen meistens aus Quarzglas. Sie unterscheiden sich jedoch in deren Brechungsindex. Oft ist der Mantel eines Lichtwellenleiters noch mit einer äußeren Schutzschicht aus Kunststoff versehen. Ein Glasfaserkabel weist mehrere zu einem Faserbündel zusammengefasste Lichtwellenleiter auf. Für eine Anordnung in einer rauen oder chemisch aggressiven Umgebung können die Lichtwellenleiter eine zusätzliche Ummantelung aufweisen.An optical waveguide for fiber optic measurements usually consists of a cylindrical conductor for the propagation of optical waves, which has a thin core radially inside and a hollow cylindrical jacket surrounding it. The core and jacket are usually made of quartz glass. However, they differ in their refractive index. The jacket of an optical waveguide is often provided with an outer protective layer made of plastic. A fiber optic cable has several optical waveguides combined to form a fiber bundle. The optical waveguides can have an additional jacket for installation in a harsh or chemically aggressive environment.

Bei Lichtwellenleitern wird zwischen Singlemode-Fasern und Multimode-Fasern unterschieden. Singlemode-Fasern weisen einen sehr kleinen Kerndurchmesser auf, in dem sich das Licht in nur einem Grundmode ausbreiten kann, wodurch sich ein homogenes Strahlprofil ergibt. Multimode-Fasern haben einen größeren Kerndurchmesser, welcher die Ausbreitung einer Vielzahl Lichtmoden ermöglicht, wodurch sich ein stark strukturiertes Stahlprofil ergibt. Je nach Anwendungsbereich, erforderlicher Signalstärke, Länge des Sensors, Ortsauflösung der Messung etc. kann eine Singlemode-Faser oder eine Multimode-Faser von Vorteil sein. Damit die Lichtenergie im Kern gehalten werden kann, muss der Brechungsindex des Kerns größer sein als der des Mantels. Um einen hohen Brechungsindex zu erreichen, wird der Faserkern häufig mit einem Halbleitermaterial beziehungsweise mit einem Halbmetall, wie beispielsweise Germanium, dotiert. Das sich in dem Kern des Lichtwellenleiters in Vorwärtsrichtung ausbreitende Lichtsignal wird an dem Kernmantel zumindest überwiegend totalreflektiert, sodass ein für die Analyse ausreichend starkes Ausgangssignal beziehungsweise Rückstreusignal zur vorhanden ist.A distinction is made between single-mode fibers and multi-mode fibers in optical fibers. Single-mode fibers have a very small core diameter in which the light can propagate in only one basic mode, resulting in a homogeneous beam profile. Multi-mode fibers have a larger core diameter, which allows the propagation of a large number of light modes, resulting in a highly structured beam profile. Depending on the application, required signal strength, length of the sensor, spatial resolution of the measurement, etc., a single-mode fiber or a multi-mode fiber can be advantageous. In order to keep the light energy in the core, the refractive index of the core must be greater than that of the cladding. In order to achieve a high refractive index, the fiber core is often doped with a semiconductor material or a semi-metal, such as germanium. The light signal propagating in the forward direction in the core of the optical fiber is at least predominantly totally reflected by the core cladding, so that a sufficiently strong output for analysis is achieved. output signal or backscatter signal is present.

Die Messung eines Spektrums des Ausgangssignals des Lichtwellenleiters kann ortsaufgelöst an einem einzelnen Messpunkt oder mit mehreren diskret verteilt angeordneten punktförmigen Messpunkten erfolgen. Sind die Messpunkte sehr dicht zueinander angeordnet, spricht man von einer quasi-kontinuierlichen Messung. Unter einer verteilten Messung wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die Messung nicht an einem Punkt durchgeführt wird, sondern über die gesamte Länge des Lichtwellenleiters erfolgt.The measurement of a spectrum of the output signal of the optical fiber can be carried out spatially resolved at a single measuring point or with several discretely distributed point-like measuring points. If the measuring points are arranged very close to one another, this is referred to as a quasi-continuous measurement. In this context, a distributed measurement means that the measurement is not carried out at one point, but rather over the entire length of the optical fiber.

Das Ausgangssignal enthält in der Regel verschiedene Arten der Lichtstreuung, welche ausgewertet werden können, um einen äußeren Einfluss auf den sensorischen Lichtwellenleiter, wie eine Kraft- und oder Momenteinwirkung, beispielsweise eine Dehnung, zu bestimmen. Für die Auswertung eines gestreuten und dann von dem Lichtdetektor erfassten Ausgangssignals kommen Methoden zur Anwendung, bei denen unterschiedliche Messsignale verwendet werden, welche aus der Wechselwirkung des Lichtsignals mit dem Lichtwellenleiter resultieren. Eine detaillierte Beschreibung bekannter faseroptischer Sensortechnologien ist beispielsweise aus der nachfolgend genannten Druckschrift des Andreas Künzel bekannt: Parameteridentifikation auf Basis faseroptisch gemessener quasi-kontinuierlicher Dehnungssignale, Berlin, Technische Universität, Dissertation, 2016.The output signal usually contains various types of light scattering, which can be evaluated to determine an external influence on the sensory optical fiber, such as a force and/or moment effect, for example a strain. To evaluate a scattered output signal that is then recorded by the light detector, methods are used that use different measurement signals that result from the interaction of the light signal with the optical fiber. A detailed description of known fiber optic sensor technologies is known, for example, from the following publication by Andreas Künzel: Parameter identification based on fiber optic measured quasi-continuous strain signals, Berlin, Technical University, dissertation, 2016.

Für die Beschreibung der Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung genügt der nun folgende Überblick über Methoden der Spektralanalyse, welche zur Auswertung für den Zweck der Erfindung geeignet sind, nämliche für die Bestimmung von Koppelkräften und Achslasten, sowie in einer Weiterentwicklung der Erfindung zur Bestimmung von Schwingungen und/oder Temperauren, welche auf die Koppelkräfte und Achslasten an einem Zugfahrzeug Einfluss haben.To describe the mode of operation of the present invention, the following overview of methods of spectral analysis which are suitable for evaluation for the purpose of the invention, namely for the determination of coupling forces and axle loads, as well as in a further development of the invention for the determination of vibrations and/or temperatures which influence the coupling forces and axle loads on a towing vehicle, is sufficient.

Die 5 zeigt ein bekanntes und in der oben zitierten Druckschrift des Andreas Künzel dargestelltes Schema der Lichtstreuung in einem Lichtwellenleiter. Darin sind die Streuintensitäten I für Rayleigh-Streuung, der Raman-Streuung und der Brillouin-Streuung über die Wellenlänge λ aufgetragen. Die Wellenlänge λ der Rayleigh-Streuung ist im Vergleich mit der Wellenlänge λ_0 des eingestrahlten Lichtsignals erkennbar nicht verschoben. Die Streuintensität I des Rayleigh-Streusignals ist nicht von der Temperatur T und auch nicht von der Dehnung ε abhängig.The 5 shows a well-known scheme of light scattering in an optical waveguide, which is presented in the above-cited publication by Andreas Künzel. In it, the scattering intensities I for Rayleigh scattering, Raman scattering and Brillouin scattering are plotted against the wavelength λ. The wavelength λ of the Rayleigh scattering is clearly not shifted in comparison with the wavelength λ_0 of the incident light signal. The scattering intensity I of the Rayleigh scattering signal is not dependent on the temperature T or the strain ε.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Dehnung ε eines Festkörpers als das Verhältnis seiner Längenänderung zu seiner ursprünglichen Länge definiert ist.It should be noted here that the strain ε of a solid is defined as the ratio of its change in length to its original length.

Anders als die Rayleigh-Streuung weist die Raman-Streuung eine sogenannte Stokes-Wellenlängenverschiebung beziehungsweise eine Anti-Stokes-Wellenlängenverschiebung auf. Die Streusignalintensität I der Raman-Streuung ist nur von der Temperatur T des Messkörpers, also von der Temperatur T des Lichtwellenleiters, abhängig. Die Brillouin-Streuung weist ebenfalls eine Stokes-Wellenlängenverschiebung beziehungsweise eine Anti-Stokes-Wellenlängenverschiebung auf, jedoch ist die Größe der Verschiebung sowohl von der Temperatur T als auch von der Dehnung ε abhängig.Unlike Rayleigh scattering, Raman scattering exhibits a so-called Stokes wavelength shift or an anti-Stokes wavelength shift. The scattering signal intensity I of Raman scattering depends only on the temperature T of the measuring body, i.e. on the temperature T of the optical fiber. Brillouin scattering also exhibits a Stokes wavelength shift or an anti-Stokes wavelength shift, but the size of the shift depends on both the temperature T and the strain ε.

Außerdem können Interferenzmuster von dem Lichtstrahl erzeugt werden, welche aufgrund der Beschaffenheit des Lichtwellenleiters auftreten oder durch eine entsprechende Präparation desselben gezielt herbeigeführt werden. Mithilfe einer Analyse eines solchen Interferenzmusters ist es ebenfalls möglich, Informationen über eine Veränderung der Dehnung ε eines Lichtwellenleiters zu erhalten. Die einzelnen Arten der Lichtstreuung sowie die Interferenz von Licht werden anhand mehrerer Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.In addition, interference patterns can be generated by the light beam, which occur due to the nature of the optical waveguide or are deliberately brought about by appropriate preparation of the same. By analyzing such an interference pattern, it is also possible to obtain information about a change in the elongation ε of an optical waveguide. The individual types of light scattering and the interference of light are explained in more detail using several embodiments of the invention.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der faseroptische Sensor die Funktionalität eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors aufweist, wobei in dem Lichtwellenleiter wenigstens zwei Faser-Bragg-Gitter angeordnet sind.According to one embodiment of the invention, it is provided that the fiber optic sensor has the functionality of a fiber Bragg grating sensor, wherein at least two fiber Bragg gratings are arranged in the optical waveguide.

Bei einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor werden mehrere Gitter, welche die Brechzahl modulieren, in definierten Intervallen, beispielsweise durch Bestrahlung mit UV-Licht, in den Lichtwellenleiter eingeschrieben. Typische Gitterlängen betragen zehn Millimeter, wobei die Periode der Gitterebenen im Bereich von einigen hundert Nanometern liegt. Die Gitterebenen wirken dabei als Interferenzfilter, die einen bestimmten Teil des eingestrahlten Lichtspektrums reflektieren und/oder transmittieren, dessen Frequenz direkt von der Periode des Abstands der Gitterebenen abhängt. Somit wird von der Eingangslichtleistung der Lichtquelle pro Gitter Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektiert und/oder transmittiert. Durch eine Dehnung des Lichtwellenleiters im Bereich des Gitters ändert sich die Periode des Gitterabstands, wodurch sich die Wellenlänge des reflektierten und/oder transmittierten Lichts ändert. Daraus kann die gewünschte Information über den Dehnungszustand des Lichtwellenleiters beziehungsweise dessen Änderung erhalten werden.In a fiber Bragg grating sensor, several gratings that modulate the refractive index are inscribed in the optical waveguide at defined intervals, for example by irradiation with UV light. Typical grating lengths are ten millimeters, with the period of the grating planes in the range of a few hundred nanometers. The grating planes act as interference filters that reflect and/or transmit a certain part of the incident light spectrum, the frequency of which depends directly on the period of the spacing of the grating planes. Thus, light of a certain wavelength is reflected and/or transmitted per grating from the input light power of the light source. By stretching the optical waveguide in the area of the grating, the period of the grating spacing changes, which changes the wavelength of the reflected and/or transmitted light. This can be used to obtain the desired information about the stretching state of the optical waveguide or its change.

Demnach kann ein Lichtwellenleiter, welcher am Getriebegehäuse oder an den Achstrompeten einer Hinterachse eines Traktors oder Zugfahrzeugs befestigt ist, im Abstand von beispielsweise mehreren Zentimetern jeweils ein solches Faser-Bragg-Gitter aufweisen. Hierdurch ist eine entsprechende Anzahl von Messpunkten vorhanden, woraus eine bestimmte Ortsauflösung einer durchzuführenden Messung resultiert. Dadurch, dass die auf die Koppelvorrichtung des Zugfahrzeugs einwirkenden Koppelkräfte zumindest teilweise an das Getriebegehäuse und an die Hinterachse des Zugfahrzeugs weitergeleitet werden, kann mittels der dort gemessenen Kräfte auf die Koppelkraft an der Koppelvorrichtung zurückgeschlossen werden.Accordingly, an optical fiber attached to the gearbox housing or to the axle trumpets of a rear axle of a tractor or towing vehicle attached, each of these fiber Bragg gratings at a distance of, for example, several centimeters. This provides a corresponding number of measuring points, which results in a certain spatial resolution of a measurement to be carried out. Because the coupling forces acting on the coupling device of the towing vehicle are at least partially transmitted to the transmission housing and the rear axle of the towing vehicle, the coupling force on the coupling device can be deduced using the forces measured there.

Die Auswertung des reflektierten und/oder transmittierten Lichtspektrums nach der Interferenz mit den Faser-Bragg-Gittern erfolgt mittels des erwähnten Lichtdetektors. Mit einer gepulsten Lichtquelle sind sehr kurze Messzyklen möglich. Eine Ausbildung des optoelektronischen Sensors als ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor ist somit für die Erfassung von dynamischen Änderungen der Koppelkräfte, wie sie typischerweise im Betrieb einer Fahrzeugkombination vorkommen, vorteilhaft.The evaluation of the reflected and/or transmitted light spectrum after interference with the fiber Bragg gratings is carried out using the light detector mentioned. Very short measurement cycles are possible with a pulsed light source. Designing the optoelectronic sensor as a fiber Bragg grating sensor is therefore advantageous for detecting dynamic changes in the coupling forces, as they typically occur during operation of a vehicle combination.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der faseroptische Sensor der Messeinrichtung die Funktionalität eines Raman-Sensors aufweist.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the fiber optic sensor of the measuring device has the functionality of a Raman sensor.

Als Raman-Effekt wird die Rückstreuung von Licht unter Verschiebung der Reflexionswellenlänge eines gestreuten Lichtsignals gegenüber der Anregungswellenlänge eines eingestrahlten Lichtsignals infolge einer inelastischen Streuung von Licht an thermischmolekularen Schwingungen von Molekülen bezeichnet. Demnach unterliegt bei einem Raman-Sensor mit verteilter Temperaturmessung das zurückgestreute Licht in einem Lichtwellenleiter der erwähnten Stokes-Verschiebung. Bei der Raman-Streuung besteht das zurückgestreute Licht aus einer Stokes-Komponente und einer Anti-Stokes-Komponente, wie dies in der 5 dargestellt ist. Trifft ein Photon eines in einen Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichts auf ein streuendes Molekül im Material des Lichtwellenleiters, so wird bei der Stokes-Komponente Energie vom Photon auf das streuende Molekül übertragen, und die Energie sowie die Frequenz der Rückstreuung sind geringer, also die Wellenlänge größer, als die der Anregung. Bei der Anti-Stokes Komponente wird Energie vom streuenden Molekül auf das Photon übertragen. Die Energie und die Frequenz der Rückstreuung werden entsprechend höher, also die Wellenlänge kürzer. Die Intensität der Stokes-Komponente ist nicht von der Temperatur abhängig, die Intensität der Anti-Stokes-Komponente ist jedoch stark von der Temperatur abhängig. Mittels eines Vergleichs der beiden Raman-Peak-Intensitäten kann die Temperatur in dem Lichtwellenleiter errechnet werden. Die Ortsinformation wird dabei aus der Laufzeit der Lichtwellen im Lichtwellenleiter berechnet.The Raman effect is the backscattering of light with a shift in the reflection wavelength of a scattered light signal compared to the excitation wavelength of an incident light signal as a result of inelastic scattering of light by thermal molecular vibrations of molecules. Accordingly, in a Raman sensor with distributed temperature measurement, the backscattered light in an optical waveguide is subject to the Stokes shift mentioned above. In Raman scattering, the backscattered light consists of a Stokes component and an anti-Stokes component, as shown in the 5 is shown. If a photon of light coupled into an optical waveguide hits a scattering molecule in the material of the optical waveguide, energy is transferred from the photon to the scattering molecule in the Stokes component, and the energy and frequency of the backscattering are lower, i.e. the wavelength is longer, than that of the excitation. In the anti-Stokes component, energy is transferred from the scattering molecule to the photon. The energy and frequency of the backscattering are correspondingly higher, i.e. the wavelength is shorter. The intensity of the Stokes component is not dependent on the temperature, but the intensity of the anti-Stokes component is strongly dependent on the temperature. By comparing the two Raman peak intensities, the temperature in the optical waveguide can be calculated. The location information is calculated from the travel time of the light waves in the optical waveguide.

Die Raman-Streuung ist zwar unempfindlich gegenüber einer mechanischen Dehnung, und die räumliche Auflösung eher gering. Allerdings können Temperaturschwankungen am Lichtwellenleiter sehr genau ermittelt werden. Diese Zusatzinformation ermöglicht bei der Bestimmung von Dehnungen des Lichtwellenleiters, welche ja sowohl aus der Einwirkung von Koppelkräften als auch aus Temperaturänderungen resultieren können, den Temperaturanteil herauszurechnen. Beispielsweise kann dafür in dem Aufbau des faseroptischen Sensors ein zweiter Lichtwellenleiter parallel zu dem ersten Lichtwellenleiter verlegt werden. Dadurch wird letztlich die Genauigkeit bei Bestimmung der Koppelkräfte erhöht.Raman scattering is insensitive to mechanical strain and the spatial resolution is rather low. However, temperature fluctuations in the optical fiber can be determined very precisely. This additional information makes it possible to calculate the temperature component when determining strains in the optical fiber, which can result from both the effect of coupling forces and temperature changes. For example, a second optical fiber can be laid parallel to the first optical fiber in the structure of the fiber optic sensor. This ultimately increases the accuracy when determining the coupling forces.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der faseroptische Sensor der Messeinrichtung die Funktionalität eines Brillouin-Sensors aufweist.According to another embodiment of the invention, the fiber optic sensor of the measuring device has the functionality of a Brillouin sensor.

Demnach resultiert bei einem Brillouin-Sensor mit verteilter Temperatur- und Dehnungsmessung die Rückstreuung aus der Interaktion zwischen den in den Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtwellen und akustischen Gitterschwingungen des Molekülgitters, sogenannten Phononen, im Material des Lichtwellenleiters. Deren Eigenschaften hängen über die Schallgeschwindigkeit linear von der Dichte des Materials des Lichtwellenleiters ab, welche durch eine Dehnung wenigstens annähernd linear verändert wird. Mechanische und/oder thermische Dehnungen des Lichtwellenleiters führen zu einer proportionalen Verschiebung der Wellenlänge sowohl der Stokes-Komponente als auch gegenläufig der Anti-Stokes-Komponente, wie die die 5 zeigt. Die Brillouin-Streuung ist demnach zwar dehnungsempfindlich. Es kann bei der Brillouin-Streuung jedoch nicht zwischen mechanischer und thermischer Dehnung unterschieden werden. In Anwendungen, in denn kaum Temperaturschwankungen zu erwarten sind, können dennoch Koppelkräfte mit dieser Methode mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden.Accordingly, in a Brillouin sensor with distributed temperature and strain measurement, the backscattering results from the interaction between the light waves coupled into the optical waveguide and acoustic lattice vibrations of the molecular lattice, so-called phonons, in the material of the optical waveguide. Their properties depend linearly on the density of the material of the optical waveguide via the speed of sound, which is changed at least approximately linearly by a strain. Mechanical and/or thermal strains of the optical waveguide lead to a proportional shift in the wavelength of both the Stokes component and the anti-Stokes component in the opposite direction, as shown by the 5 shows. Brillouin scattering is therefore sensitive to strain. However, Brillouin scattering cannot distinguish between mechanical and thermal strain. In applications where hardly any temperature fluctuations are to be expected, coupling forces can still be determined with sufficient accuracy using this method.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der faseroptische Sensor der Messeinrichtung die Funktionalität eines Rayleigh-Sensors aufweist.According to a further embodiment of the invention, it is provided that the fiber optic sensor of the measuring device has the functionality of a Rayleigh sensor.

Das Auftreten von hinsichtlich der Wellenlänge unverändertem Streulicht wird als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Die Rayleigh-Streuung beruht auf der überwiegend elastischen Streuung eines Lichtsignals an Molekülen. In Lichtwellenleitern entsteht sie infolge von Inhomogenitäten im Faserkern, welche auf unerwünschte oder gezielte Einschlüsse und/oder Dichteschwankungen des Materials zurückzuführen sind. Die Stärke der Streuung, also der Streuwinkel der Strahlablenkung, hängt von der Frequenz des ausgesendeten Lichtsignals ab. Das gestreute Signal weist keine Wellenlängenverschiebung zum ausgesendeten Lichtsignal auf, welches in 5 dargestellt ist. Diese Art der Wechselwirkung ist vom Dehnungs- und Temperaturzustand des Lichtwellenleiters nicht oder allenfalls nur schwach abhängig, allerdings sensitiv für Schwingungen und Schallimpulse, welche auf den Lichtwellenleiter einwirken. Rayleigh-Rückstreusignale eignen sich somit als eine zusätzliche Informationsquelle, um Schwingungen, welche über die Fahrzeugaufbauten übertragen werden, zu identifizieren. Solche Schwingungen können im Zusammenhang mit Koppelkräften beispielsweise durch Anomalien an dem Aufbau und oder an der Koppeleinrichtung im Betrieb auftreten.The occurrence of scattered light with unchanged wavelength is called Rayleigh scattering. Rayleigh scattering is based on the predominantly elastic scattering of a light signal by molecules. In optical fibers, it occurs as a result of inhomogeneities in the fiber core, which are due to unwanted or targeted inclusions. and/or density fluctuations of the material. The strength of the scattering, i.e. the scattering angle of the beam deflection, depends on the frequency of the emitted light signal. The scattered signal does not show a wavelength shift to the emitted light signal, which in 5 This type of interaction is not or at most only slightly dependent on the strain and temperature state of the optical fiber, but is sensitive to vibrations and sound impulses that act on the optical fiber. Rayleigh backscatter signals are therefore suitable as an additional source of information for identifying vibrations that are transmitted via the vehicle bodies. Such vibrations can occur in connection with coupling forces, for example due to anomalies in the body and/or in the coupling device during operation.

Zur Vollständigkeit erwähnt seien noch interferometrische Messverfahren. Bei diesen Verfahren wird die Phasenverschiebung zweier sich gekreuzt überlagernder Lichtwellen untersucht. Wird eine durch eine physikalische Belastung, wie eine Dehnung, Schwingung oder thermische Spannung verursachte Wegänderung eines vom Messobjekt, also dem als Sensor wirksamen Lichtwellenleiter, reflektierten optischen Signals mit einem konstanten Referenzsignal überlagert, so kann die Verformung oder Auslenkung aus einem Interferenzbild ermittelt werden. Ein solcher Aufbau mit zwei gekreuzten Lichtsignalen ist für den Einbau in einem Getriebe oder in einer Achstrompete grundsätzlich möglich, aber eher aufwendig und daher hier nicht vorgesehen.For the sake of completeness, interferometric measuring methods should also be mentioned. These methods examine the phase shift of two crossed, superimposed light waves. If a change in the path of an optical signal reflected from the measuring object, i.e. the optical waveguide acting as a sensor, caused by a physical load such as stretching, vibration or thermal stress, is superimposed with a constant reference signal, the deformation or deflection can be determined from an interference pattern. Such a setup with two crossed light signals is basically possible for installation in a gearbox or in an axle trumpet, but is rather complex and therefore not intended here.

Wie eingangs geschildert betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Messen von Koppelkräften und/oder Achslasten an einer Fahrzeugkombination, bestehend aus einem Traktor oder Zugfahrzeug und einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug oder einem daran angekoppelten Anbaugerät, wobei eine Messeinrichtung genutzt wird, welche die schon geschilderten Merkmale von wenigstens einem der Vorrichtungsansprüche aufweist.As described at the outset, the invention also relates to a method for measuring coupling forces and/or axle loads on a vehicle combination consisting of a tractor or towing vehicle and a trailer vehicle coupled thereto or an attachment coupled thereto, wherein a measuring device is used which has the already described features of at least one of the device claims.

Zur Lösung der verfahrensbezogenen Aufgabe ist vorgesehen,
dass ein von dem Lichtdetektor empfangenes Ausgangssignal von der optoelektronischen Steuereinheit durch einen spektralen Mustervergleich zwischen von der Lichtquelle ausgesendeten und von dem Lichtdetektor erfassten Lichtsignal-Kenngrößen kontinuierlich oder mehrfach in zeitlichen Abständen ausgewertet wird,
wobei als Lichtsignal-Kenngrößen die Intensität, die Phase, die Wellenlänge und/oder die Polarisation des Lichts genutzt werden,
dass mittels der Auswertung des Ausgangssignals der Grad einer Verformung des Lichtwellenleiters bestimmt wird,
dass mit einem numerischen Rechenverfahren aus der Verformung des Lichtwellenleiters ein Wert einer dafür ursächlichen Koppelkraft und/oder Achslast errechnet wird, und dass der errechnete Koppelkraftwert und/oder Achslastwert als ein Sensorsignal für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.
To solve the procedural task, it is planned
that an output signal received by the light detector is evaluated by the optoelectronic control unit continuously or repeatedly at time intervals by means of a spectral pattern comparison between light signal parameters emitted by the light source and detected by the light detector,
where the intensity, phase, wavelength and/or polarization of the light are used as light signal parameters,
that the degree of deformation of the optical fiber is determined by evaluating the output signal,
that a value of a coupling force and/or axle load causing the deformation of the optical fiber is calculated using a numerical calculation method, and that the calculated coupling force value and/or axle load value is made available as a sensor signal for further processing.

Die verwendete Lichtquelle eines faseroptischen Sensors ist, abhängig vom beabsichtigten Auswerteverfahren, meistens eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode. Eine derartige Lichtquelle kann in kurzen Taktfrequenzen gepulstes Licht einer einzelnen Wellenlänge oder mit mehreren Wellenlängen in einem bestimmten Spektrum, wie ultraviolettes Licht (UV-Licht) oder infrarotes Licht (IR-Licht), emittieren. Dadurch sind zeitlich aufgelöste Messungen und/oder zeitlich integrierte Messungen möglich. Ein nach einer äußeren Einwirkung gestreuter und/oder interferierter Lichtpuls der Lichtquelle wird in dem Lichtwellenleiter andere Eigenschaften aufweisen als ein vorhergehender Lichtpuls vor der äußeren Einwirkung, welche zu einer Änderung der Dehnung, Biegung oder anderen Verformung des Lichtwellenleiters geführt hat.The light source used in a fiber optic sensor is usually a light-emitting diode or a laser diode, depending on the intended evaluation method. Such a light source can emit pulsed light of a single wavelength or with multiple wavelengths in a specific spectrum, such as ultraviolet light (UV light) or infrared light (IR light), at short clock frequencies. This enables time-resolved measurements and/or time-integrated measurements. A light pulse from the light source that is scattered and/or interfered with after an external influence will have different properties in the optical fiber than a previous light pulse before the external influence that led to a change in the stretching, bending or other deformation of the optical fiber.

Zunächst kann das empfangene Ausgangssignal von der optoelektronischen Steuereinheit durch einen sogenannten spektralen Mustervergleich zwischen ausgesendeten, reflektierten und empfangenen Lichtparametern, wie Intensität, Phase, Wellenlänge und/oder Polarisation, ausgewertet werden. Diese Lichtparameter lassen sich durch bekannte spektroskopische Analysen der Phasen-, Intensitäts-, Wellenlängen- und Frequenzänderung wie bereits beschrieben bestimmen. Aus der Änderung des Ausgangssignals hinsichtlich eines oder mehrerer der vorgenannten Parameter aufgrund einer Krafteinwirkung lässt sich eine kraftinduzierte Verformung des Lichtwellenleiters bestimmen. Zusätzlich können Informationen über Temperaturänderungen und gegebenenfalls Schwingungseinflüsse auf den Lichtwellenleiter erhalten werden.First, the received output signal can be evaluated by the optoelectronic control unit by a so-called spectral pattern comparison between emitted, reflected and received light parameters, such as intensity, phase, wavelength and/or polarization. These light parameters can be determined by known spectroscopic analyses of the phase, intensity, wavelength and frequency changes as already described. A force-induced deformation of the optical fiber can be determined from the change in the output signal with regard to one or more of the aforementioned parameters due to the application of a force. In addition, information about temperature changes and, if applicable, vibration influences on the optical fiber can be obtained.

Mit einem numerischen Rechenverfahren, wie der bekannten mathematischen Methode der finiten Elemente (FEM), lässt sich daraus die ursächliche Koppelkraft beziehungsweise Achslast rekonstruieren. Mit anderen Worten kann der Lichtwellenleiter also insbesondere als ein Kraftsensor verwendet werden, um mittels der Analyse eines in dem Lichtwellenleiter gestreuten Lichtsignals und auf Basis der FEM-Analyse die kraftinduzierte Verformung von Festkörpern, Koppelkräfte und Achslasten an der Fahrzeugkombination zu rekonstruieren. Mit einer geeigneten Anordnung eines oder mehrerer faseroptischer Sensoren lassen sich schließlich mittels eines Algorithmus in der optoelektronischen Steuereinheit aus der Analyse des mit dem Material des Lichtwellenleiters in Wechselwirkung getretenen und von dem Lichtdetektor aufgenommenen Ausgangssignals des Lichtsignals Zugkräfte, Schubkräfte, Querkräfte und/oder Achslasten, also die an dem Gespann angreifenden Kraftkomponenten und Momente in allen drei Raumrichtungen berechnen.Using a numerical calculation method, such as the well-known mathematical method of finite elements (FEM), the causal coupling force or axle load can be reconstructed. In other words, the optical fiber can be used in particular as a force sensor to reconstruct the force-induced deformation of solid bodies, coupling forces and axle loads on the vehicle combination by analyzing a light signal scattered in the optical fiber and on the basis of the FEM analysis. With a suitable arrangement of one or more fiber optic sensors, an algorithm in the optoelectronic control unit can finally be used to determine the force-induced deformation of solid bodies, coupling forces and axle loads on the vehicle combination from the analysis of the material. The output signal of the light signal that has interacted with the optical fiber and is recorded by the light detector can be used to calculate tensile forces, shear forces, transverse forces and/or axle loads, i.e. the force components and moments acting on the vehicle/trailer combination in all three spatial directions.

Die als ein Sensorsignal für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellte Koppelkraftinformation kann beispielsweise zur Antriebssteuerung beziehungsweise zur Bremssteuerung und/oder zur Gewichtsermittlung der Fahrzeugkombination verwendet werden. Dazu kann eine drahtlose oder leitungsgebundene Verbindung zu einem Steuergerät der Fahrzeugkombination ausgebildet sein. Mit Hilfe der gewonnenen Information kann ein effizienter und gleichzeitig sicherer Fahrbetrieb verbessert werden. Es ist dabei vorteilhaft, wenn dieses Verfahren im Fahrbetrieb der Fahrzeugkombination kontinuierlich durchgeführt wird. Dadurch ist eine permanente Überwachung der Koppelverbindung beziehungsweise der Achslasten der Fahrzeugkombination gewährleistet.The coupling force information provided as a sensor signal for further processing can be used, for example, for drive control or brake control and/or for determining the weight of the vehicle combination. A wireless or wired connection to a control unit of the vehicle combination can be set up for this purpose. The information obtained can be used to improve efficient and at the same time safe driving. It is advantageous if this process is carried out continuously while the vehicle combination is in operation. This ensures permanent monitoring of the coupling connection or the axle loads of the vehicle combination.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm zur Bestimmung von Koppelkräften und/oder Achslasten an einer Fahrzeugkombination bestehend aus einem Traktor oder einer Zugmaschine oder einem Zugfahrzeug und einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug oder einem daran angekoppelten Anbaugerät, wobei das Computerprogramm derartig ausgebildet ist, dass mit diesem das genannte Verfahren gemäß dem Verfahrensanspruch betreibbar ist. Das Computerprogramm kann ein immanenter Bestandteil der optoelektronischen Steuereinheit sein oder zumindest in einem Steuergerät vorhanden sein, welches mit der optoelektronischen Steuereinheit funktional verbunden ist.The invention also relates to a computer program for determining coupling forces and/or axle loads on a vehicle combination consisting of a tractor or a tractor unit or a towing vehicle and a trailer vehicle coupled thereto or an attachment coupled thereto, wherein the computer program is designed in such a way that the said method can be operated with it in accordance with the method claim. The computer program can be an inherent component of the optoelectronic control unit or at least be present in a control device which is functionally connected to the optoelectronic control unit.

Schließlich wird eine Fahrzeugkombination beansprucht, aufweisend einen landwirtschaftlichen Traktor, eine Zugmaschine oder ein Zugfahrzeug mit einem Anbaugerät und/oder wenigstens einem Anhängefahrzeug, mit einer Messeinrichtung, welche gemäß wenigstens einem der Vorrichtungsansprüche aufgebaut und zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch betreibbar ist.Finally, a vehicle combination is claimed, comprising an agricultural tractor, a tractor or a towing vehicle with an attachment and/or at least one trailer vehicle, with a measuring device which is constructed according to at least one of the device claims and is operable to carry out a method according to the independent method claim.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

  • 1 eine Fahrzeugkombination mit einem Traktor und einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug sowie mit einer Messeinrichtung gemäß der Erfindung,
  • 2 ein Fahrzeuggetriebe des Traktors gemäß 1, mit beidseitig davon abgehenden Achstrompeten einer Hinterachse, und mit einem endseitig an dem Fahrzeuggetriebe befestigten faseroptischen Sensor zur Messung von Koppelkräften zwischen dem Traktor und dem Anhängefahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform,
  • 2a eine vergrößerte Detailansicht des faseroptischen Sensors gemäß 2,
  • 3 das Fahrzeuggetriebe mit den Achstrompeten gemäß 1, jedoch mit einem in den Achstrompeten eingebauten faseroptischen Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform,
  • 3a eine vergrößerte Detailansicht des faseroptischen Sensors gemäß 3,
  • 4 ein vereinfachtes Schema eines faseroptischen Sensors mit einem Faser-Bragg-Gitter,
  • 4a ein homogenes Eingangsspektrum eines in einem Lichtwellenleiter des faseroptischen Sensors eingestrahlten Lichtsignals,
  • 4b das Transmissionsspektrum eines durch das Faser-Bragg-Gitter des Lichtwellenleiters geleiteten Lichtsignals,
  • 4c ein Reflexionsspektrum eines an dem Faser-Bragg-Gitter des Lichtwellenleiters reflektierten Lichtsignals, und
  • 5 ein Schema der Stokes-Verschiebung eines Lichtsignals bei der Rückstreuung in einem Lichtwellenleiter, mit Anteilen von Streuintensitäten von Rayleigh-Streuung, Raman-Streuung und Brillouin-Streuung.
The invention is explained in more detail below with reference to embodiments shown in the accompanying drawing. The drawing shows
  • 1 a vehicle combination with a tractor and a trailer coupled to it and with a measuring device according to the invention,
  • 2 a vehicle transmission of the tractor according to 1 , with axle trumpets of a rear axle extending from both sides thereof, and with a fibre optic sensor attached to the end of the vehicle transmission for measuring coupling forces between the tractor and the trailer vehicle according to a first embodiment,
  • 2a an enlarged detailed view of the fiber optic sensor according to 2 ,
  • 3 the vehicle transmission with the axle trumpets according to 1 , but with a fibre optic sensor built into the axle trumpets according to a second embodiment,
  • 3a an enlarged detailed view of the fiber optic sensor according to 3 ,
  • 4 a simplified scheme of a fiber optic sensor with a fiber Bragg grating,
  • 4a a homogeneous input spectrum of a light signal radiated into an optical waveguide of the fiber optic sensor,
  • 4b the transmission spectrum of a light signal passed through the fiber Bragg grating of the optical waveguide,
  • 4c a reflection spectrum of a light signal reflected from the fiber Bragg grating of the optical waveguide, and
  • 5 a scheme of the Stokes shift of a light signal during backscattering in an optical waveguide, with contributions of scattering intensities from Rayleigh scattering, Raman scattering and Brillouin scattering.

Einige Bauelemente in den Figuren stimmen überein, sodass sie mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Das Schema der Stokes-Verschiebung eines Lichtsignals bei der Rückstreuung in einem Lichtwellenleiter, mit Anteilen von Streuintensitäten von Rayleigh-, Raman- und Brillouin-Streuung gemäß 5 wurde bereits ausführlich erläutert.Some components in the figures are identical and are therefore designated with the same reference numbers. The scheme of the Stokes shift of a light signal during backscattering in an optical waveguide, with proportions of scattering intensities from Rayleigh, Raman and Brillouin scattering according to 5 has already been explained in detail.

Die in 1 dargestellte landwirtschaftliche Fahrzeugkombination 1 besteht aus einem Traktor 2 und einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug 3. Der Traktor 2 weist ein Fahrzeuggetriebe 4 bekannter Bauart auf, welches mit einer Hinterachse 5 des Traktors 2 eine Baueinheit bildet. Die beiden Fahrzeuge 2, 3 sind miteinander mittels einer nicht näher dargestellten bekannten Koppelvorrichtung 6 verbunden, beispielsweise mittels einer Bolzenkupplung. An einer Koppelvorrichtung 6 des Traktors 2 greifen die drei Raumkomponenten Fx, Fy, Fz einer Koppelkraft an. Die erste Kraftkomponente Fx der Koppelkraft wirkt in Längsrichtung einer gedachten Längsachse der Fahrzeugkombination 1, welches einer Zugkraft oder einer Schubkraft entspricht. Die zweite Kraftkomponente Fy der Koppelkraft entspricht einer vertikalen Kraft, welche als eine resultierende Achslast auch auf die Hinterachse des Traktors 2 an der Koppelvorrichtung 6 wirkt. Die dritte Kraftkomponente Fz entspricht einer Querkraft, welche seitlich an der Koppelvorrichtung 6 angreift. Die Koppelvorrichtung 6 ist über Rahmenbauteile des Traktors 2 indirekt mit der Hinterachse 5 und dem Gehäuse des Getriebes 4 verbunden.In the 1 The agricultural vehicle combination 1 shown consists of a tractor 2 and a trailer 3 coupled to it. The tractor 2 has a vehicle transmission 4 of a known type, which forms a structural unit with a rear axle 5 of the tractor 2. The two vehicles 2, 3 are connected to one another by means of a known coupling device 6 (not shown in detail), for example by means of a bolt coupling. The three spatial components Fx, Fy, Fz of a coupling force act on a coupling device 6 of the tractor 2. The first force component Fx of the coupling force acts in the longitudinal direction of an imaginary longitudinal axis of the vehicle combination 1, which corresponds to a tractive force or a thrust force. The second force component Fy of the coupling force corresponds to a vertical force which, as a resulting axle load, also acts on the rear axle of the tractor 2 at the coupling device 6. The third force component Fz corresponds to a transverse force which acts laterally on the coupling device 6. The coupling device 6 is indirectly connected to the rear axle 5 and the housing of the transmission 4 via frame components of the tractor 2.

Die Fahrzeugkombination 1 weist eine die Merkmale der Erfindung aufweisende Messeinrichtung 10a, 10b zum Messen von Koppelkräften und/oder Achslasten auf, welche an dem Gehäuse des Fahrzeuggetriebes 4 oder an der Hinterachse 5 des Traktors 2 angeordnet und befestigt ist. Die Messeinrichtung 10a, 10b wird nachfolgend näher beschrieben.The vehicle combination 1 has a measuring device 10a, 10b having the features of the invention for measuring coupling forces and/or axle loads, which is arranged and fastened to the housing of the vehicle transmission 4 or to the rear axle 5 of the tractor 2. The measuring device 10a, 10b is described in more detail below.

Wie die 2 veranschaulicht, weist eine erste Ausführungsform der Messeinrichtung 10a einen faseroptischen Sensor 11 auf. Dieser Sensor 11 ist an einem anhängefahrzeugseitigen Ende des Gehäuses 7 des Fahrzeuggetriebes 4 befestigt und befindet sich dabei zwischen der Hinterachse 5 des Traktors 2 und dessen Koppelvorrichtung 6.As the 2 As illustrated, a first embodiment of the measuring device 10a has a fiber optic sensor 11. This sensor 11 is attached to a trailer-side end of the housing 7 of the vehicle transmission 4 and is located between the rear axle 5 of the tractor 2 and its coupling device 6.

Der faseroptischen Sensor 11 weist eine optoelektronische Steuereinheit 12 und einen Lichtwellenleiter 15 auf. Wie die vergrößerten Ansicht gemäß 2a zeigt, geht der Lichtwellenleiter 15 von der optoelektronischen Steuereinheit 12 aus, ist an der Außenseite des Getriebegehäuses 7 befestigt und mit seinem Ende zu der optoelektronischen Steuereinheit 12 zurückgeführt und mit dieser verbunden. Der Lichtwellenleiter 15 kann in Wellen, Schlaufen oder Kurven mit Orientierung überwiegend in eine Raumrichtung oder in zwei oder allen drei Raumrichtungen orientiert verlegt sein. Dies ist in der 2a lediglich angedeutet.The fiber optic sensor 11 has an optoelectronic control unit 12 and an optical fiber 15. As the enlarged view according to 2a shows, the optical waveguide 15 starts from the optoelectronic control unit 12, is attached to the outside of the gear housing 7 and is led back with its end to the optoelectronic control unit 12 and connected to it. The optical waveguide 15 can be laid in waves, loops or curves with orientation predominantly in one spatial direction or in two or all three spatial directions. This is shown in the 2a merely hinted at.

Wichtig ist, dass der Lichtwellenleiter 15 derartig an dem Fahrzeuggetriebe 4 angeordnet und befestigt ist, dass reversible Verformungen und Rückverformungen des Getriebegehäuses 7, wie sie typischerweise im Betrieb der Fahrzeugkombination 1 erzeugt werden, auf mechanisch den Lichtwellenleiter 15 übertragen werden, sodass dieser eine entsprechende Verformung erfährt. Durch derartige äußere Einwirkungen verändern sich die eingangs beschriebenen Eigenschaften in dem Lichtwellenleiter 15 hinsichtlich der Lichtausbreitung, wobei einzelne Eigenschaften auf verschiedene äußere Einwirkungen, wie Dehnung, Temperaturänderung, Stöße und Schwingungen, unterschiedlich empfindlich sowie selektiv oder kumulativ reagieren.It is important that the optical waveguide 15 is arranged and attached to the vehicle transmission 4 in such a way that reversible deformations and re-deformations of the transmission housing 7, as typically generated during operation of the vehicle combination 1, are mechanically transferred to the optical waveguide 15 so that it undergoes a corresponding deformation. Such external influences change the properties described at the beginning in the optical waveguide 15 with regard to the light propagation, with individual properties reacting to various external influences, such as expansion, temperature changes, shocks and vibrations, with varying degrees of sensitivity and selectively or cumulatively.

Außerdem zeigt die 2 zwei Achstrompeten 5a, 5b der Hinterachse 5 des Traktors 2, welche sich beidseitig vom Fahrzeuggetriebe 4 zu dort nicht dargestellten Hinterrädern des Traktors 2 erstrecken. Dieser erste faseroptische Sensor 11 ist insbesondere zur Erfassung von Koppelkräften nahe der Koppelvorrichtung 6 vorgesehen.In addition, the 2 two axle trumpets 5a, 5b of the rear axle 5 of the tractor 2, which extend on both sides from the vehicle transmission 4 to rear wheels of the tractor 2 (not shown there). This first fiber optic sensor 11 is provided in particular for detecting coupling forces near the coupling device 6.

Zu der Messeinrichtung 10a gehört in diesem Ausführungsbeispiel eine zu einem Fahrzeugsteuergerät 29 führende Sensorleitung 28 und wenigstens eine zu einer Energieversorgungsquelle 30 führende elektrische Leitung 31.In this embodiment, the measuring device 10a includes a sensor line 28 leading to a vehicle control unit 29 and at least one electrical line 31 leading to a power supply source 30.

Die 3 und 3a zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer die Merkmale der Erfindung aufweisenden Messeinrichtung 10b, welche ebenfalls einen faseroptischen Sensor 25 mit einem Lichtwellenleiter 26 und eine optoelektronische Steuereinheit 27 aufweist. Zu dieser zweiten Messeinrichtung 10b gehört ebenfalls eine zu einem Fahrzeugsteuergerät 29 führende Sensorleitung 28 und wenigstens eine zu einer Energieversorgungsquelle 30 führende elektrische Leitung 31.The 3 and 3a show a second embodiment of a measuring device 10b having the features of the invention, which also has a fiber optic sensor 25 with an optical waveguide 26 and an optoelectronic control unit 27. This second measuring device 10b also includes a sensor line 28 leading to a vehicle control unit 29 and at least one electrical line 31 leading to a power supply source 30.

Der zweite faseroptische Sensor 25 ist in den beiden Achstrompeten 5a, 5b angeordnet und an deren Innenwand befestigt. Er erstreckt sich über nahezu deren gesamte Länge der beiden Achstrompeten 5a, 5b sowie durch das Fahrzeuggetriebe 4 hindurch. Dieser zweite faseroptische Sensor 25 ermöglicht insbesondere die Erfassung von solchen Koppelkräften, welche von der Koppelvorrichtung 6 kommend über die Achstrompeten 5a, 5b auf die Hinterachse 5 des Zugfahrzeugs 2 wirken. Der zweite faseroptische Sensor 25 reagiert dabei besonders empfindlich auf hohe Achslastens an der Hinterachse 5, welche im Betrieb eines landwirtschaftlichen Gespanns häufig auftreten können.The second fiber optic sensor 25 is arranged in the two axle trumpets 5a, 5b and attached to their inner wall. It extends over almost the entire length of the two axle trumpets 5a, 5b and through the vehicle transmission 4. This second fiber optic sensor 25 enables the detection of coupling forces that act from the coupling device 6 via the axle trumpets 5a, 5b on the rear axle 5 of the towing vehicle 2. The second fiber optic sensor 25 reacts particularly sensitively to high axle loads on the rear axle 5, which can often occur when operating an agricultural vehicle.

Die 4 zeigt schematisch vereinfacht den beispielhaften Aufbau des faseroptischen Sensors 11, 25 gemäß 2a oder 3a. Demnach weist die optoelektronische Steuereinheit 12, 27 eine Lichtquelle 13 und einen Lichtdetektor 14 auf. Die Steuereinheit 12, 27 wird von der Energieversorgungsquelle 30 über die elektrische Leitung 31 mit elektrischer Energie versorgt. Außerdem steht die Steuereinheit 12, 27 über die Sensorleitung 28 mit dem Fahrzeugsteuergerät 29 in Verbindung. Die Lichtquelle 13 kann beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode sein, während der Lichtdetektor 14 beispielsweise aus einer Anordnung von einer oder mehreren Fotodioden oder Fototransistoren besteht. Die Lichtquelle 13 und der Lichtdetektor 14 sind durch einen Optokoppler 16 signaltechnisch miteinander verbunden. Außerdem weist die optoelektronische Steuereinheit 12, 27 nicht dargestellte Mittel zur optoelektronischen Signalumwandung und Computermittel zur verfahrensgemäßen Auswertung der empfangenen Signale auf.The 4 shows a simplified schematic of the exemplary structure of the fiber optic sensor 11, 25 according to 2a or 3a Accordingly, the optoelectronic control unit 12, 27 has a light source 13 and a light detector 14. The control unit 12, 27 is supplied with electrical energy from the energy supply source 30 via the electrical line 31. In addition, the control unit 12, 27 is connected to the vehicle control unit 29 via the sensor line 28. The light source 13 can be, for example, a light-emitting diode or a laser diode, while the light detector 14 consists, for example, of an arrangement of one or more photodiodes or phototransistors. The light source 13 and the light detector 14 are connected to one another in terms of signals by an optocoupler 16. In addition, the optoelectronic control unit 12, 27 has means (not shown) for optoelectronic signal conversion and computer means for evaluating the received signals in accordance with the method.

Der zylindrische Lichtwellenleiter 15, 26 weist einen inneren Faserkern 17 auf, der von einem äußeren hohlzylindrischen Fasermantel 18 umgeben ist. Der Brechungsindex des Faserkerns 17 ist größer ist als der Brechungsindex des Fasermantels 18, sodass das in den Faserkern 17 eingespeiste Licht am Fasermantel 18 überwiegend totalreflektiert wird.The cylindrical optical waveguide 15, 26 has an inner fiber core 17, which is surrounded by an outer hollow cylindrical fiber cladding 18. The refractive index of the fiber core 17 is greater than the refractive index of the fiber cladding 18, so that the light fed into the fiber core 17 is predominantly totally reflected at the fiber cladding 18.

Der faseroptische Sensor 11, 25 ist hier beispielhaft als ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor ausgebildet. Demnach sind in dem Lichtwellenleiter 15, 26 mehrere in gleichen Abständen zueinander angeordnete Faser-Bragg-Gitter 19 ausgebildet. Das von der Lichtquelle 13 in den Faserkern 17 eingestrahlte Licht erzeugt an dem Faser-Bragg-Gitter 19 ein Interferenzmuster. Das eingestrahlte Lichtsignal weist gemäß 4a ein homogenes Eingangsspektrum 21 auf. Ein Anteil des Lichts wird durch das Faser-Bragg-Gitter 19 transmittiert und weist dabei ein in 4b dargestelltes Transmissionsspektrum 20 auf. Ein weiterer Anteil des Lichts wird an dem Faser-Bragg-Gitter 19 reflektiert und erzeugt dabei das in 4c dargestellten Reflexionsspektrum 22.The fiber optic sensor 11, 25 is designed here as a fiber Bragg grating sensor, for example. Accordingly, several fiber Bragg gratings 19 arranged at equal distances from one another are formed in the optical waveguide 15, 26. The light radiated by the light source 13 into the fiber core 17 generates an interference pattern on the fiber Bragg grating 19. The radiated light signal has 4a a homogeneous input spectrum 21. A portion of the light is transmitted through the fiber Bragg grating 19 and has a 4b A further portion of the light is reflected by the fiber Bragg grating 19 and thereby generates the 4c shown reflection spectrum 22.

Im vorliegenden Beispiel wird das Reflexionsspektrum 22 als Ausgangssignal des faseroptischen Sensors 11, 25 von dem Lichtdetektor 14 empfangen und in der optoelektronischen Steuereinheit 12, 27 ausgewertet. Wenn der Lichtwellenleiter 15, 26 aufgrund von Koppelkräften beziehungsweise Achslasten verformt wird, ändert sich die Periode des Gitterabstands des Faser-Bragg-Gitters 19. In deren Folge ist das empfangene Reflexionsspektrum 22 in der Wellenlänge verschoben. Aus einem fortlaufenden sogenannten Mustervergleich zwischen dem eingestrahlten Eingangsspektrum 21 und dem empfangenen Reflexionsspektrum 22 kann der Grad der Verformung des Lichtwellenleiters 15, 26 bestimmt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt werden diese Verformungswerte beispielsweise mit Hilfe der Methode der finiten Elemente mit der ursächlichen Koppelkraft oder Achslast korreliert. Hieraus wird der Betrag und die Richtung der an der Koppelvorrichtung wirkenden Koppelkraft ermittelt, und diese Werte werden anschließend an das Fahrzeugsteuergerät 29 geleitet, wo diese Werte dann für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen.In the present example, the reflection spectrum 22 is received as an output signal of the fiber optic sensor 11, 25 by the light detector 14 and evaluated in the optoelectronic control unit 12, 27. If the optical waveguide 15, 26 is deformed due to coupling forces or axle loads, the period of the grating spacing of the fiber Bragg grating 19 changes. As a result, the received reflection spectrum 22 is shifted in wavelength. The degree of deformation of the optical waveguide 15, 26 can be determined from a continuous so-called pattern comparison between the radiated input spectrum 21 and the received reflection spectrum 22. In a further process step, these deformation values are correlated with the causal coupling force or axle load, for example using the finite element method. From this, the amount and direction of the coupling force acting on the coupling device are determined, and these values are then passed on to the vehicle control unit 29, where these values are then available for further processing.

Es sei nochmals angemerkt, dass die Ausbildung des faseroptischen Sensors 11, 25 als ein Faser-Bragg-Sensor nur als ein Beispiel zu verstehen ist. Es sei insbesondere darauf hingewiesen, dass für eine alternative Auswertung von koppelkraftbedingten oder achslastbedingten Veränderungen der Lichtausbreitung in einem Lichtwellenleiter die oben beschriebenen verschiedenen Arten der Lichtstreuung genutzt werden können, mittels denen sowohl Kräfte und Momente als auch Temperatureinflüsse und/oder Schwingungseinflüsse, welche auf die Koppelvorrichtung 6 der Fahrzeugkombination 1 einwirken, selektiv analysiert werden können.It should be noted again that the design of the fiber optic sensor 11, 25 as a fiber Bragg sensor is only to be understood as an example. It should be pointed out in particular that for an alternative evaluation of coupling force-related or axle load-related changes in the light propagation in an optical fiber, the various types of light scattering described above can be used, by means of which both forces and moments as well as temperature influences and/or vibration influences which act on the coupling device 6 of the vehicle combination 1 can be selectively analyzed.

Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)Reference symbol (part of the description)

11
FahrzeugkombinationVehicle combination
22
Zugfahrzeug, Zugmaschine, Traktortowing vehicle, tractor, tractor
33
AnhängefahrzeugTrailer vehicle
44
FahrzeuggetriebeVehicle transmission
55
Fahrzeugradachse , Hinterachse des ZugfahrzeugsVehicle wheel axle, rear axle of the towing vehicle
5a5a
Erste Achstrompete der HinterachseFirst axle trumpet of the rear axle
5b5b
Zweite Achstrompete der HinterachseSecond axle trumpet of the rear axle
66
Koppelvorrichtung am ZugfahrzeugCoupling device on the towing vehicle
77
Gehäuse des FahrzeuggetriebesVehicle gearbox housing
10a10a
Messeinrichtung (1. Ausführungsform)Measuring device (1st embodiment)
10b10b
Messeinrichtung (2. Ausführungsform)Measuring device (2nd embodiment)
1111
Faseroptischer Sensor (1. Ausführungsform)Fiber optic sensor (1st embodiment)
1212
Optoelektronische Steuereinheit (1. Ausführungsform)Optoelectronic control unit (1st embodiment)
1313
LichtquelleLight source
1414
LichtdetektorLight detector
1515
Lichtwellenleiter (1. Ausführungsform)Optical fiber (1st embodiment)
1616
OptokopplerOptocoupler
1717
Faserkern des LichtwellenleitersFiber core of the optical fiber
1818
Fasermantel des LichtwellenleitersFiber cladding of the optical fiber
1919
Faser-Bragg-GitterFiber Bragg Grating
2020
Transmissionsspektrum des AusgangssignalsTransmission spectrum of the output signal
2121
Eingangsspektrum des LichtsignalsInput spectrum of the light signal
2222
Reflexionsspektrum des AusgangssignalsReflection spectrum of the output signal
2525
Faseroptischer Sensor (2. Ausführungsform)Fiber optic sensor (2nd embodiment)
2626
Lichtwellenleiter (2. Ausführungsform)Optical fiber (2nd embodiment)
2727
Optoelektronische Steuereinheit (2. Ausführungsform)Optoelectronic control unit (2nd embodiment)
2828
SensorleitungSensor cable
2929
FahrzeugsteuergerätVehicle control unit
3030
EnergieversorgungsquelleEnergy source
3131
Elektrische LeitungElectrical line
λλ
Wellenlänge der Rayleigh-StreuungWavelength of Rayleigh scattering
λ_0λ_0
Wellenlänge des eingestrahlten LichtsignalsWavelength of the incident light signal
Fx, Fy, FzFx, Fy, Fz
Komponenten einer KoppelkraftComponents of a coupling force
II
Intensität des Rayleigh-StreusignalsIntensity of the Rayleigh scattering signal
TT
Temperaturtemperature
εε
Dehnungstrain

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102019124281 A1 [0005]DE 102019124281 A1 [0005]
  • EP 2366563 A2 [0007]EP 2366563 A2 [0007]
  • EP 1421355 B1 [0009]EP 1421355 B1 [0009]

Claims (11)

Messeinrichtung (10a) zum Messen von an einer Fahrzeugkombination (1) wirkenden Kräften, wobei die Fahrzeugkombination (1) aus einem Zugfahrzeug, Traktor (2) oder einer Zugmaschine mit einer Koppelvorrichtung (6) sowie einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug (3) oder einem daran angekoppelten Anbaugerät besteht, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (7) eines Fahrzeuggetriebes (4) des Zugfahrzeugs, des Traktors (2) oder der Zugmaschine ein faseroptischer Sensor (11) derart angeordnet ist, dass sich dieser bei einer mechanischen Verformung des Gehäuses (7) des Fahrzeuggetriebes (4) ebenfalls verformt und dabei seine optischen Eigenschaften verändert, dass der Sensor (11) zur Erzeugung und Verarbeitung eines optischen Ausgangssignals (20, 22) eine optoelektronische Steuereinheit (12) aufweist, dass in der Steuereinheit (12) ein Computerprogramm abgespeichert ist, mittels dem durch eine Auswertung des optischen Ausgangssignals (20, 22) eine an der Koppelvorrichtung (6) angreifende Koppelkraft bestimmbar ist, und dass mittels der Steuereinheit (12) ein die gemessene Koppelkraft repräsentierendes elektrisches Signal erzeugbar sowie an ein Fahrzeugsteuergerät (29) versendbar ist.Measuring device (10a) for measuring forces acting on a vehicle combination (1), the vehicle combination (1) consisting of a towing vehicle, tractor (2) or a tractor with a coupling device (6) and a trailer (3) coupled thereto or an attachment coupled thereto, characterized in that a fiber optic sensor (11) is arranged on the housing (7) of a vehicle transmission (4) of the towing vehicle, tractor (2) or tractor in such a way that it also deforms when the housing (7) of the vehicle transmission (4) is mechanically deformed and in the process changes its optical properties, that the sensor (11) has an optoelectronic control unit (12) for generating and processing an optical output signal (20, 22), that a computer program is stored in the control unit (12), by means of which a coupling force acting on the coupling device (6) can be determined by evaluating the optical output signal (20, 22), and that an electrical signal representing the measured coupling force can be generated by means of the control unit (12) and sent to a vehicle control unit (29). Messeinrichtung (10b) zum Messen von an einer Fahrzeugkombination (1) wirkenden Kräften, wobei die Fahrzeugkombination (1) aus einem Zugfahrzeug, Traktor (2) oder einer Zugmaschine mit einer Koppelvorrichtung (6) sowie einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug (3) oder einem daran angekoppelten Anbaugerät besteht, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer Achstrompete (5a, 5b) einer Fahrzeugradachse (5) des Zugfahrzeugs, des Traktors (2) oder der Zugmaschine ein faseroptischer Sensor (25) derart angeordnet ist, dass sich dieser bei einer mechanischen Verformung der Achstrompete (5a, 5b) ebenfalls verformt und dabei seine optischen Eigenschaften verändert, dass der Sensor (25) zur Erzeugung und Verarbeitung eines optischen Ausgangssignals (20, 22) eine optoelektronische Steuereinheit (27) aufweist, dass in der Steuereinheit (27) ein Computerprogramm abgespeichert ist, mittels dem durch eine Auswertung des optischen Ausgangssignals (20, 22) eine an der Koppelvorrichtung (6) angreifende Koppelkraft bestimmbar ist, und dass mittels der Steuereinheit (27) ein die gemessene Koppelkraft repräsentierendes elektrisches Signal erzeugbar sowie an ein Fahrzeugsteuergerät (29) versendbar ist.Measuring device (10b) for measuring forces acting on a vehicle combination (1), the vehicle combination (1) consisting of a towing vehicle, tractor (2) or a tractor with a coupling device (6) and a trailer (3) coupled thereto or an attachment coupled thereto, characterized in that a fiber optic sensor (25) is arranged on at least one axle trumpet (5a, 5b) of a vehicle wheel axle (5) of the towing vehicle, the tractor (2) or the tractor in such a way that it also deforms when the axle trumpet (5a, 5b) is mechanically deformed and in the process changes its optical properties, that the sensor (25) has an optoelectronic control unit (27) for generating and processing an optical output signal (20, 22), that a computer program is stored in the control unit (27), by means of which a force acting on the coupling device (6) can be determined by evaluating the optical output signal (20, 22). Coupling force can be determined, and that by means of the control unit (27) an electrical signal representing the measured coupling force can be generated and sent to a vehicle control unit (29). Messeinrichtung (10a, 10b) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor (11) wenigstens einen mit der optoelektronischen Steuereinheit (12) verbundenen Lichtwellenleiter (15) aufweist, dass die Steuereinheit (12) eine Lichtquelle (13) und einen Lichtdetektor (14) aufweist, dass die Lichtquelle (13) zur Emission eines sich in dem Lichtwellenleiter (15) ausbreitenden Lichtsignals (21) ausgebildet und angeordnet ist, und dass der Lichtdetektor (14) zur Erfassung und optisch-elektrischen Signalumwandlung eines über den Lichtwellenleiter (15) in den Lichtdetektor (14) zurückreflektierten, oder eines durch den Lichtwellenleiter (15) transmittierten, oder eines über eine zusätzliche optische Signalleitung dem Lichtdetektor (14) zugeführten Ausgangssignals (20, 22) des Lichtsignals (21) ausgebildet ist.Measuring device (10a, 10b) according to Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the fiber optic sensor (11) has at least one optical waveguide (15) connected to the optoelectronic control unit (12), that the control unit (12) has a light source (13) and a light detector (14), that the light source (13) is designed and arranged to emit a light signal (21) propagating in the optical waveguide (15), and that the light detector (14) is designed to detect and optically-electrically convert an output signal (20, 22) of the light signal (21) reflected back into the light detector (14) via the optical waveguide (15), or transmitted through the optical waveguide (15), or fed to the light detector (14) via an additional optical signal line. Messeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor (25) an der Innenseite einer oder zweier Achstrompeten (5a, 5b) einer hinteren Fahrzeugradachse (5) des Zugfahrzeugs, des Traktors (2) oder der Zugmaschine angeordnet ist.Measuring device according to Claim 3 , characterized in that the fiber optic sensor (25) is arranged on the inside of one or two axle trumpets (5a, 5b) of a rear vehicle wheel axle (5) of the towing vehicle, the tractor (2) or the tractor. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor (11, 25) die Funktionalität eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors aufweist, wobei in dem Lichtwellenleiter (15, 26) wenigstens zwei Faser-Bragg-Gitter (19) angeordnet sind.Measuring device according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the fiber optic sensor (11, 25) has the functionality of a fiber Bragg grating sensor, wherein at least two fiber Bragg gratings (19) are arranged in the optical waveguide (15, 26). Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor (11, 25) die Funktionalität eines Raman-Sensors aufweist.Measuring device according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the fiber optic sensor (11, 25) has the functionality of a Raman sensor. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor (11, 25) die Funktionalität eines Brillouin-Sensors aufweist.Measuring device according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the fiber optic sensor (11, 25) has the functionality of a Brillouin sensor. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor (11, 25) die Funktionalität eines Rayleigh-Sensors aufweist.Measuring device according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the fiber optic sensor (11, 25) has the functionality of a Rayleigh sensor. Verfahren zum Messen von Koppelkräften und/oder Achslasten an einer Fahrzeugkombination (1), bestehend aus einem Zugfahrzeug, einem Traktor (2) oder einer Zugmaschine und einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug (3) oder einem daran angekoppelten Anbaugerät, mittels einer Messeinrichtung (10a, 10b) mit den Merkmalen von wenigstens einem der Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Lichtdetektor (14) empfangenes Ausgangssignal (20, 22) von der optoelektronischen Steuereinheit (12, 27) durch einen spektralen Mustervergleich zwischen von der Lichtquelle (13) ausgesendeten und von dem Lichtdetektor (14) erfassten Lichtsignal-Kenngrößen kontinuierlich oder mehrfach in zeitlichen Abständen ausgewertet wird, wobei als Lichtsignal-Kenngrößen die Intensität, die Phase, die Wellenlänge und/oder die Polarisation des Lichts genutzt werden, dass mittels der Auswertung des Ausgangssignals (20, 22) der Grad einer Verformung des Lichtwellenleiters (15, 26) bestimmt wird, dass mit einem numerischen Rechenverfahren aus der Verformung des Lichtwellenleiters (15, 26) ein Wert einer dafür ursächlichen Koppelkraft und/oder Achslast errechnet wird, und dass der errechnete Koppelkraftwert und/oder Achslastwert als ein Sensorsignal für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.Method for measuring coupling forces and/or axle loads on a vehicle combination (1) consisting of a towing vehicle, a tractor (2) or a tractor and a trailer vehicle (3) coupled thereto or an attachment coupled thereto, by means of a measuring device (10a, 10b) with the features of at least one of the device claims, characterized in that that an output signal (20, 22) received by the light detector (14) is evaluated by the optoelectronic control unit (12, 27) by means of a spectral pattern comparison between light signal parameters emitted by the light source (13) and detected by the light detector (14), continuously or repeatedly at time intervals, the intensity, phase, wavelength and/or polarization of the light being used as light signal parameters, that the degree of deformation of the optical waveguide (15, 26) is determined by means of the evaluation of the output signal (20, 22), that a value of a coupling force and/or axle load causing this is calculated from the deformation of the optical waveguide (15, 26) using a numerical calculation method, and that the calculated coupling force value and/or axle load value is made available as a sensor signal for further processing. Computerprogramm zur Bestimmung von Koppelkräften und/oder Achslasten an einer Fahrzeugkombination (1) bestehend aus einem Zugfahrzeug, einem Traktor (2) oder einer Zugmaschine und einem daran angekoppelten Anhängefahrzeug (3) oder einem daran angekoppelten Anbaugerät, wobei das Computerprogramm derartig ausgebildet ist, dass mit diesem das Verfahren des unabhängigen Verfahrensanspruchs betreibbar ist.Computer program for determining coupling forces and/or axle loads on a vehicle combination (1) consisting of a towing vehicle, a tractor (2) or a tractor and a trailer vehicle (3) coupled thereto or an attachment coupled thereto, wherein the computer program is designed in such a way that the method of the independent method claim can be operated with it. Fahrzeugkombination (1), aufweisend ein Zugfahrzeug, einen Traktor (2) oder eine Zugmaschine mit einem Anbaugerät und/oder wenigstens einem Anhängefahrzeug (3), mit einer Messeinrichtung (10a, 10b), welche gemäß wenigstens einem der Vorrichtungsansprüche aufgebaut und zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem Verfahrensanspruch betreibbar ist.Vehicle combination (1) comprising a towing vehicle, a tractor (2) or a tractor with an attachment and/or at least one trailer vehicle (3), with a measuring device (10a, 10b) which is constructed according to at least one of the device claims and can be operated to carry out a method according to the method claim.
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